sistema de puestas a tierra e los sistemas electricos2003 (modificado lester)

8/6/2019 Sistema de Puestas a Tierra e Los Sistemas Electricos2003 (Modificado Lester)

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Sistemas de puesta atierra en los sistemas

elctricos

Dr. Juan Almirall MesaCIPEL, Septiembre 2009

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7.1.- INTRODUCCION.

En las instalaciones elctricas de cualquier tipo, por razones de seguridad para el personal que las

opera, es necesario que todas las estructuras metlicas se mantengan al menor potencial posible

respecto a tierra, tanto bajo condiciones de operacin normales como bajo condiciones de falla.

La posibilidad de que en cualquiera de las partes metlicas accesibles al contacto con las

personas se presenten potenciales respecto a tierra peligrosos se puede reducir

considerablemente, e incluso llegar a eliminarse, mediante la puesta a tierra de las mismas.

El valor de la resistencia de la puesta a tierra debe ser lo ms pequeo posible a fin de limitar la

tensin. Sin embargo, una puesta a tierra no puede considerarse como buena slo por presentar

un bajo valor de resistencia, ya que es necesario que se cumpla que el producto de la corriente de

falla multiplicado por la impedancia de la puesta a tierra de un valor de tensin que no sea

peligroso para el hombre y que, adems, satisfaga los requerimientos de operacin de la

instalacin.

7.2.- DEFINICIONES.

El diseo de un sistema de tierra no debe concretarse nicamente a obtener una baja resistencia

en la puesta a tierra sino que, adems, debe cumplir con los parmetros requeridos para:

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La puesta a tierra para la proteccin contra procesos transitorios debido tanto a

operaciones o fallas en el sistema como a descargas atmosfricas.

La puesta a tierra de neutros para estabilizar los potenciales en los circuitos respecto a

tierra y proporcionar los medios para la utilizacin de relevadores para la proteccin

contra fallas a tierra.

Asegurar que las estructuras que no llevan corriente, tales como armazones de

equipos, estructuras metlicas, etc., estn siempre al potencial de tierra, an en el caso

de falla del aislamiento.

Reducir a un mnimo que no sea peligroso los gradientes de potencial en la superficie

de las subestaciones y dems instalaciones durante las mximas condiciones de falla.

Minimizar la interferencia en los sistemas de comunicacin.

En general se puede plantear que la denominacin de puesta a tierra comprende la

unin metlica directa, sin fusibles ni proteccin alguna, mediante un conductor deseccin suficiente entre determinados elementos de una instalacin o equipo y un

electrodo, grupo de electrodos, o mallas enterradas en el suelo, con el objetivo de

conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios, equipos y en la superficie de

las instalacines no existan diferencias de potencial peligrosas y adems, que permita

el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosfricas.

La circulacin de corriente por la instalacin de puesta a tierra puede originar la aparicin de

diferencias de potencial entre ciertos puntos, por ejemplo, entre ellas y el terreno que la rodea,

por cuya razn debe concebirse la instalacin de puesta atierra para que, incluso con la aparicin

de dicha diferencia de potencial, se cubran los siguientes objetivos:

Seguridad de las personas.

Proteccin de las instalaciones.

Mejora de la calidad del servicio.

Establecimiento y permanencia de un potencial de referencia.

Debe hacerse especial nfasis en que la seguridad de las personas es lo primario y se constituye

en el fin primordial de toda instalacin de puesta a tierra, lo que no significa que se deje de

reconocer la importancia de los otros objetivos.

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7.3.- CLASIFICACION DE LAS PUESTAS A TIERRA.

Cada puesta a tierra cumple un objetivo bien definido, por lo que los mismos se pueden clasificar

como:

Puesta a tierra para proteccin.

Puesta a tierra para funcionamiento.

Puesta a tierra para trabajo.

Puesta a tierra para proteccin.- Como su nombre lo indica est dada por la necesidad de conectar

a potencial de tierra todas las partes metlicas de cualquier instalacin que no se encuentran

sometidas a tensin normalmente, pero que a causa de fallas en el aislamiento puedan llegar a

tener un potencial respecto a tierra.

Estas partes metlicas se refieren a: las estructuras metlicas de las subestaciones o de las lneas

de transmisin, el tanque de los transformadores e interruptores, la carcaza de las mquinas

rotatorias, los paneles de control, etc.

Puesta a tierra para funcionamiento.- Para el correcto funcionamiento de los sistemas elctricos y

de algunas de sus componentes es necesario, en muchas ocasiones, establecer una conexin a

tierra en determinados puntos. Ejemplos de este tipo de puesta a tierra son la conexin a tierra del

neutro de los generadores y de los transformadores, la conexin a tierra de los pararrayos, cables

protectores, etc.

Puesta a tierra para trabajo.- En los trabajos de reparacin y mantenimiento de muchas

instalaciones es necesario conectar a tierra, temporalmente, las partes normalmente energizadas a

fin de evitar accidentes debido a la reconexin indebida de la misma o a las tensiones inducidas

por sistemas energizados cercanos.

7.4.- RESISTENCIA DE UNA PUESTA A TIERRA.

El valor de la resistencia de una puesta a tierra depende de muchos factores entre los cuales

estn:

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La resistencia de contacto entre el aparato protegido y el conductor de tierra.

La impedancia del conductor y de la resistencia de contacto de su conexin al

electrodo.

La resistencia propia del electrodo.

La resistencia de contacto entre el electrodo y la tierra. La resistencia del sistema de

electrodos.

Si se selecciona el conductor adecuado y se evitan recorridos largos y sinuosos la

impedancia del conductor es despreciable.

Las resistencias de contacto entre el conductor y el aparato protegido y entre el

conductor y el electrodo son despreciables siempre que se aseguren fuertemente los

contactos.

Con la seleccin adecuada del electrodo su resistencia es despreciable, sin embargo, su

resistencia de contacto con la tierra puede ser apreciable si su superficie est grasienta o si al

hincar el mismo en la tierra ste queda holgado.

La resistencia del sistema de electrodos se define como la resistencia que existe entre l y otro

electrodo situado a gran distancia (tierra de referencia). La resistencia del sistema de electrodos

depende de sus dimensiones fsicas y fundamentalmente de la resistividad del terreno.

7.5.- FACTORES DE QUE DEPENDE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

La resistividad del terreno es el factor determinante en la magnitud de la resistencia de una

puesta a tierra y la misma depende del:

Tipo de terreno.

Humedad del terreno.

Salinidad del terreno.

Temperatura del terreno. Granulometra del terreno.

Compacticidad del terreno.

Estratografa.

Otros factores.

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Humus 10-150Arcilla plstica Hasta 50Marga y arcillas compactas 100-200Margas del jursico 30-40Arena arcillosa 50-500

Tabla 7.5.1. Resistividad de algunos tipos de terreno. (Cont.)

Arena silsica 200-3000Suelo pedregoso cubierto de csped 300-500Suelo pedregoso desnudo 1500-3000Calizas blandas 100-300Calizas compactas 1000-5000Calizas agrietadas 500-1000Pizarras 50-300Rocas de mica y cuarzo hasta 800Granito gris 1500-10000

Grava 3000-5000

La distribucin del tamao de los granos tiene un efecto importante en la manera en que un

terreno mantiene la humedad. A medida que el terreno es ms compacto los valores de

resistividad disminuyen.

La dependencia de la resistividad de la humedad del terreno hace necesario, en muchas

ocasiones, el uso de sustancias higromtricas que fijen la humedad en el terreno tales como la salcomn y el carbn vegetal. El mantener sobre las tomas de tierra un pequeo terreno

(aproximadamente 50 m2) cubierto de csped puede ayudar a mantener la humedad al evitar las

evaporaciones.

En todo tipo de terreno se presenta una capa que es la ms afectada por las variaciones

temporales del contenido de humedad con las lluvias y con las estaciones, por lo que su

resistividad variar con el contenido de humedad. El espesor de esta capa rara vez excede los

1.8 m.

Como no siempre es posible efectuar todas las mediciones de la resistividad del terreno bajo las

condiciones de mnimo contenido de humedad es conveniente afectar las mediciones de sta por

el denominado factor de sequedad del terreno (Fs):

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Para terrenos hmedos Fs=1.8Para terrenos semihmedos Fs=1.4Para terrenos secos Fs=1.0

Salinidad del terreno.- La resistividad del terreno depende de su composicin qumica lo que

determina la cantidad de sales disueltas en el agua que l contiene. Una pequea cantidad de sal

disuelta puede reducir la resistividad considerablemente, lo que explica el porque suelos

similares, para diferentes localidades, tienen diferentes resistividades.

As se tiene que para terrenos de alta resistividad, en los cuales es necesario bajar la resistencia

de una puesta a tierra, se obtienen buenos resultados si en lugar de electrodos verticales

convencionales se usan tubos galvanizados horadados, los que peridicamente se llenan de una

solucin salina. Las sales ms comunes son: la sal comn, el cloruro de calcio, el sulfato decobre, el sulfato de magnesio, etc.

Granulometra.- Es un elemento importante que influye, a la vez, sobre la porosidad y el poder

de retener la humedad y tambin sobre la calidad del contacto con los electrodos,

incrementndose la resistividad con el tamao de los granos. Esta es la razn por la que el valor

de la resistividad de la grava sea superior a la de la arena y la de sta superior a la de la arcilla.

Los suelos de granos gruesos se prestan mal al establecimiento de buenas redes de tierra,

circunstancia que se puede paliar rodeando la superficie de los electrodos de un cierto espesor de

tierra fina o de otro material ms conductor.

Compacticidad.- La resistividad se ve afectada por el grado de compacticidad del terreno

disminuyendo al aumentar sta. Por esta razn es que cuando se efecta un movimiento de tierra,

si sta no se compacta artificialmente, la resistividad del terreno ir disminuyendo con el tiempo

y no es hasta aproximadamente dos aos despus que no alcanza su valor estable.

Estratigrafa.- La resistividad de un terreno es la correspondiente a la resultante de las diversas

capas de que est constituido. Puede suceder que una sola capa presente una resistividad tan baja

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que la influencia de las dems sea imperceptible, tal como ocurre cuando se alcanza la zonas de

humedad permanente o el manto fritico.

Temperatura del terreno.- La resistividad del terreno asciende a medida que desciende la

temperatura y ese efecto se acenta al alcanzarse los 0 C hasta el punto que, a medida que es

mayor la cantidad de agua en estado de congelacin, se va reduciendo el movimiento de los

electrolitos lo que influye directamente en la resistividad del terreno, elevndose ostensiblemente

la misma.

Para valores de temperatura superiores a la temperatura de congelacin el efecto es menos

apreciable, aunque entre algunos grados y 25 C puede llegar a duplicarse.

Otros factores.- Existen otros factores distintos a los ya enumerados que son capaces demodificar apreciablemente la resistividad del terreno pero que, por su naturaleza elctrica, slo

pueden surgir posteriormente al establecimiento de la red de tierra, tales como:

El efecto de los gradientes de potencial elevados.

El calentamiento del suelo a consecuencia de la circulacin de corrientes de puesta a tierra

elevadas o de forma prolongada.

Cuando el contacto entre un electrodo y el terreno no es bueno la resistencia de puesta a tierra es

alta debido a que aparecen entre ellos pequeas capas que son prcticamente aislantes. Cuando

circula una corriente a tierra, a partir de un valor determinado de sta, hace que se alcance un

gradiente de tensin en dichas capas tal que permita el desarrollo de pequeas descargas que las

cortocircuitan, por lo que bajo estas condiciones el sistema de puesta a tierra tendra valores

inferiores de resistencia a los que le corresponderan antes de la aparicin de las descargas. Este

efecto slo es apreciable en los sistemas de puesta a tierra de pequeas dimensiones.

Para magnitudes de corriente altas el gradiente de potencial puede llegar, en las proximidadesinmediatas de los electrodos, a alcanzar valores tales que provoquen la perforacin del terreno,

dando lugar a la formacin de uno o varios arcos que, a partir de puntos del electrodo, se

propaguen a travs del suelo en diversas direcciones y con eventuales ramificaciones.

Prescindiendo de la cada en el arco, que slo es apreciable en el caso de electrodos de pequeas

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dimensiones, el efecto de este fenmeno es equivalente a que las dimensiones del electrodo

hubieran aumentado o a que la resistividad del terreno hubiera disminuido, pero por diseo debe

evitarse el establecimiento de tales descargas ya que ni en el caso de los rayos es posible

aprovechase de este fenmeno ya que la velocidad de propagacin de los arcos en el suelo es

muy lenta comparada con la duracin del frente de onda de la corriente de un rayo.

Debido a la circulacin de corrientes elevadas puede incrementarse la temperatura del suelo,

principalmente en las cercanas del electrodo de puesta a tierra, lo que tiende a hacer que

aumente la conductividad del terreno debido a la caracterstica elctrica negativa que caracteriza

a los electrolitos. Sin embargo, si el calor generado por estas corrientes elevadas es tal que

provoca que el terreno se seque presentar un aumento considerable de su resistividad.

El efecto inicial de una circulacin prolongada de la corriente por una toma de tierra es disminuirsu resistencia, con una importancia que depende de la contribucin al valor total de la misma de

las capas de terreno prximas, pero que no es apreciable ms que para las puesta a tierra de

pequeas dimensiones. Pero con el tiempo la circulacin prolongada de la corriente hace que

aumente la temperatura del terreno alrededor del electrodo, alcanzando sta su mximo valor en

la proximidad inmediata del electrodo. Las condiciones pueden llegar a ser crticas cuando se

alcanzan temperaturas prximas a los 100 C y se comienza a evaporar con rapidez el agua

contenida en el terreno, dejando al electrodo en contacto con una capa de terreno seca y, por

tanto, de mayor resistividad con lo que la resistencia de la puesta a tierra aumenta

considerablemente. Si la temperatura que se alcanza es tal que se produce la calcinacin del

terreno alrededor del electrodo se alcanzarn los valores mayores de resistencia de puesta a tierra,

llegando ste a perder su eficacia con lo que su potencial comienza a subir, pudiendo llegar al

valor de la tensin de la red, situacin en extremo peligrosa.

7.6.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA NATURALES.

Como se sabe el objetivo de cualquier puesta a tierra es el de dispersar la corriente en el volumen

total de la tierra a travs de la menor resistencia posible. Existe una gran diversidad de sistemas

de puesta a tierra mediante el empleo de diferentes tipos de electrodos. Los electrodos usados en

los sistemas de puesta a tierra se dividen en naturales y artificiales.

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Los sistemas de puesta a tierra naturales estn constituidos por las masas metlicas que pueden

existir enterradas para otros fines: los cimientos de hormign armado situados en el permetro de

un edificio de carcter permanente, las redes extensas de conducciones metlicas soterrada

(siempre que la continuidad elctrica quede perfectamente asegurada), en especial las tuberas

metlicas soterradas de usos hidrulicos, las cubiertas de plomo de conductores, etc. 1. Tuberas

de gas enterradas no se deben usar como sistemas de puesta a tierra naturales y de hecho en

muchas normas nacionales esta explcitamente prohibido.

7.7.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES.

Los electrodos artificiales son aquellos sistemas de puesta a tierra empleados exclusivamente con

este fin y pueden ser electrodos simples formados por barras, tubos, placas, cables cintas, etc.

directamente enterrados. Adems, forman parte de ellos los anillos o mallas metlicas formadas

por algunos de los elementos anteriores o por la combinacin de ellos. Estos electrodos

normalmente estn hechos de cobre, hierro galvanizado, o hierro sin galvanizar con proteccin

catdica para hacerlos ms resistentes a la humedad y a la accin qumica del suelo. Los

electrodos artificiales pueden ser verticales u horizontales.

7.8.- ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA DE UNELECTRODO.

Para obtener la ecuacin general de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo, a travs del

cual fluye una corriente hacia la tierra, lo ms fcil es plantearse el fenmeno como un problema

electrosttico, con una cantidad de carga dada y una distribucin de campo elctrico asociado al

mismo.

Para un instante de tiempo cualquiera se cumple que:

EJ =

7.8.1

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Donde:J - Densidad de corriente.

- Conductividad de la tierra.

E - Intensidad del campo elctrico.

Como:

=1

7.8.2

Siendo:

- Resistividad de la tierra.

Luego:

=E

J

7.8.3

Como se sabe:

dx

duE =

7.8.4

Luego:

dx

du1J

=

7.8.5

Para una superficie cualquiera S que encierre al electrodo: = dx

du1dSJ

7.8.6

Como:

.12


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= dSJI

7.8.7

Se tiene que:

= dSdxdu1

I

7.8.9

Considerando el problema electrostticamente, las lneas de flujo que atraviesan la misma

superficie S se obtienen por la expresin:

== dSdxdu

dSEN

7.8.10

Para cualquier instante de tiempo la carga Q encerrada en la superficie S ser:

Q4dSdx

duN == (Sistema C.G:S.):

7.8.11

Sustituyendo 7.8.11 en 7.8.9 se tiene que:

=

Q4I

7.8.12Como:

I

UR=

7.8.13Y:

C

QU =

7.8.14

Donde:C - Capacitancia electrosttica.

Sustituyendo 7.8.12 y 7.8.14 en 7.8.13 se tiene que:

.13


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C4R

=

7.8.15

La expresin 7.8.15 da el valor de la resistencia de puesta a tierra para un instante de tiempo

cualquiera en funcin de parmetros que no cambian con el tiempo, la misma slo depende de laresistividad del terreno y de la capacidad electrosttica que son independientes del tiempo. As se

tiene que para una esfera:

r4R

=

7.8.16

Como la resistencia es inversamente proporcional al rea para un electrodo semiesfrico se tiene

que:

r2R

=

7.8.17

La expresin anterior puede transformarse en:

2r

2r

r2R

=

=

7.8.18

Esta expresin presenta las dimensiones correspondientes a la formula de la resistencia de losconductores:

S

LR =

7.8.19

Lo antes expuesto permite afirmar que: la resistencia que opone un suelo homogneo a la

circulacin de la corriente por un electrodo semiesfrico es igual a la de un elemento cilndrico

del terreno con idntica seccin que la diametral del electrodo esfrico y de una longitud (alturaen este caso) igual a la mitad del radio del electrodo. Sin embargo, los electrodos semiesfricos

apenas si se usan ya que su forma produce una mala utilizacin del metal y es preferible hacer

que ste tenga una zona de contacto con el terreno ms extensa.

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El perfil de las superficies equipotenciales de un electrodo semiesfrico son semiesferas, tal

como se puede apreciar en la Fig. 7.15.1, y para cualquier otro tipo de electrodo stas tendern a

la forma del electrodo a medida que la distancia a ste sea menor, pero a medida que uno se aleja

de l stas tendern cada vez ms a la del electrodo semiesfrico.

Por lo antes expuesto se puede plantear que siempre es posible hacer corresponder a cualquiera

red de tierra de resistencia Rcon un electrodo semiesfrico equivalente de radio re, de forma tal

que enterrado en el mismo terreno presenta la misma resistencia de la puesta a tierra. En suelos

homogneos el radio del electrodo semiesfrico equivalente es:

R2re

=

7.8.20

El radio del electrodo semiesfrico equivalente ser intermedio entre las tres dimensiones del

electrodo real. Un electrodo vertical es equivalente a una semiesfera de radio prximo a un sexto

de su longitud y una placa superficial a una semiesfera de radio del 75 % de la misma

7.9.- ELECTRODOS VERTICALES.

De los electrodos verticales el ms comn es el electrodo de varilla, Fig. 7.9.1.

En la determinacin de la capacidad electrosttica de un electrodo vertical de varilla se emplea

como modelo matemtico un semielipsoide en el cual el semieje mayor es muy largo comparado

con el semieje menor y para el cual:

d

L4ln

LC=

7.9.1

Donde:

L - Longitud del electrodo bajo tierra.

d - Dimetro del electrodo.

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Luego:

d

L4ln

L2R

=

7.9.2

Empleando otros modelos matemticos para el clculo de la capacidad electrosttica de una

varilla se obtienen ecuaciones diferentes, aunque el valor de la resistencia de puesta a tierra es

aproximadamente el mismo; as, en este caso est muy extendido el uso de la siguiente expresin:

= 1d

L8ln

L2R

7.9.3

Si el electrodo se encuentra enterrado a partir de una profundidad h la expresin 7.9.3 queda como:

l4h

lh21

d

l8ln

l2

R

++

=

.16


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De la frmula anterior se desprende que la resistencia de puesta a tierra del electrodo vertical de

varilla (Fig. 7.9.1) depende directamente de la resistividad del terreno y de sus dimensiones

fsicas tal como se muestra en la Fig. 7.9.2.

Al aumentar la longitud del electrodo hincado en la tierra la resistencia primero disminuye

bruscamente y despus lo hace suavemente, lo que est determinado por el hecho de que al

aumentar la profundidad del enterramiento la humedad del terreno se va estabilizando y con ello

el valor de su resistividad. Adems, se puede observar que a medida que aumenta la profundidad

del electrodo la dependencia de la resistencia del radio del electrodo disminuye.

La experiencia indica que la estabilizacin de la resistencia se logra para electrodos verticales

hincados a una profundidad entre los 1.4 - 2.4 m, pues para estos valores la disminucin de la

resistencia es muy pequea cuando se aumenta la profundidad. Analizando estos aspectos se llega

a la conclusin de que para obtener el valor mnimo de resistencia con un electrodo de varilla es

necesario enterrarlo 2.4 -3 m, pero en la prctica lo ms usual es 1.8 m , ya que electrodos de

varilla de mayor longitud necesitan mtodos especiales para enterrarlos, lo que aumenta

considerablemente el costo de la instalacin. Claro est que en el caso de las subestaciones se

justifica la utilizacin de electrodos con longitudes superiores a los 4.5 m (por regla general se

emplean vigas y tuberas de gran dimetro), llegndose el caso de perforar pozos de puesta a

tierra.

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Al aumentar el dimetro de los electrodos la resistencia de puesta a tierra disminuye, pero a partir

de un dimetro de unos 20 mm la variacin de la misma no es significativa.

Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de un electrodo vertical se puede

situar el mismo en un medio artificial, para lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el

electrodo y el resto se rellena de un material de ms baja resistividad que la tierra circundante. En

este caso la resistencia de puesta a tierra est dada por

( )

+

= 1

d

L8ln1

D

L8ln

L2

1R CC

7.9.4

Donde:

- Resistividad del suelo (-m).

c - Resistividad del material del relleno (-m).d - Dimetro del electrodo (m).

D - Dimetro del relleno (m).

L - Profundidad del electrodo (m).

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El material de relleno se debe caracterizar por poseer menor resistividad y por tener una

dependencia lo menor posible de las estaciones del ao. Un material de relleno posible a utilizar

es el hormign cuya resistividad vara entre 30-90 -m, ya que esta resistividad es menor que la

de muchos tipos de suelos.

En muchas ocasiones se emplean las bases de hormign reforzado con acero como electrodos de

tierra, pues pueden llegar a proporcionar bajos valores de resistencia de puesta a tierra. Si el

acero del refuerzo est distribuido simtricamente la resistencia de una base de hormign est

dada por:

( )

+

=

Z

L

ZLR C

2ln1ln

2

1

7.9.5

Donde:

- Resistividad del suelo (-m)

c - Resistividad del hormign (-m).

L - Longitud del acero de refuerzo (m).

d - Espesor del hormign entre el refuerzo de acero y el suelo (m).

Z - Factor geomtrico que depende de la distribucin del refuerzo de acero dentro del

hormign (Tabla 7.9.1).

Un caso tpico del empleo de los electrodos de concreto son los denominados electrodos Ufer,

que se llaman de esa manera en memoria de un ingeniero de nombre Herb Ufer, quien estuvo a

cargo de los laboratorios encargado de las pruebas de electrodos de puesta a tierra para arsenales

en Arizona donde la tierra arenosa no permita obtener una resistencia suficientemente baja para

este tipo de instalacin .Con los electrodos de concreto armado que el emple logr alcanzar

resistencias de puesta a tierra de hasta 5 Ohm y en algunos casos menos. Este tipo de electrodo

consisti en utiliza, en las estructuras nuevas, el acero del concreto armado como electrodoprincipal, siempre y cuando la cimentacin sea diseada para este fin con los cables de tierra

adecuados soldados a las varillas. Por ejemplo las normas mejicanas plantean que la estructura

debe de constar de por lo menos de 6 metros de una o ms varillas de acero desnudo o

galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento elctricamente conductor, de no menos

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de 13 mm de dimetro localizado en y cerca del fondo de un cimiento o zapata, empotrado al

menos 50 mm en el concreto.

El concreto tiene una estructura qumica ligeramente alcalina e higroscpica. La combinacin de

estas caractersticas provee iones libres que permiten al concreto exhibir una resistividad

consistentemente de unos 30 ohm-m. Los electrodos de concreto tienen una resistencia a tierramenor o igual que las varillas de cobre de un tamao comparable, siempre que estn en contacto

con suelos con resistividad de 50 ohm-m o menor.

Algunas pruebas indican que la resistencia tpica a tierra de una base para columna de anclaje

medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms, sin usar mtodos especiales. De ah que la

resistencia efectiva de un edificio de estructura metlica con veintitantas columnas en paralelo es

de menos de 5 ohms, siempre y cuando se asegure que la estructura est conectada a las varillas.

Para ello, se suelda por mtodos de fusin un cable de acero a las varillas y el mismo que seconectar a su respectiva columna.

En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosfricas en el sistema de tierras con

electrodos de concreto, stos deben complementarse con electrodos de otro tipo, para que las

grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningn dao por fractura al evaporar muy

rpidamente el agua presente en el concreto.

Electrodos verticales en paralelo.-Cuando con un slo electrodo de varilla no se alcanza la

resistencia de puesta a tierra adecuada, es necesario hincar en el terreno ms de un electrodo. La

disminucin de la resistencia depender de la profundidad de los electrodos de su separacin y de

su disposicin, tal como se muestra en la Fig. 7.9.3.

En la prctica se ha comprobado que con dos electrodos separados una distancia igual o

ligeramente superior a su longitud se obtiene una reduccin en la resistencia de puesta a tierra de

aproximadamente un 40 % del valor obtenido con una sola, tendiendo este valor al 50 % para

distancias muy grandes, comparadas con la longitud del electrodo, tal como se muestra en laFig. 7.9.4. Para tres electrodos la disminucin en la resistencia llega hasta alrededor de un 60 %.

Para el clculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales es necesario tener en

cuenta la separacin entre ellos y adems la disposicin geomtrica de los mismos. As se tiene

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que para dos electrodos la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las

siguientes dos expresiones:

Si LS>

+

=2

S31

S41

d

L8ln

L4R

7.9.6

Si LS , se debe cambiar la configuracin de la malla; si UU contactomalla< se

pasa a calcular la tensin de paso.

g) Clculo de la tensin de paso en caso de falla:

vc

isG

paso LNL

KKIU

**85.075.0 +

(V)

7.13.20

Donde:

( )

+

++= 25.01

11

2

11 ns DhDh

K

Si UU blepasotolerapaso > cambiar la configuracin de la malla; si Upaso < Upaso tolerable el diseo

ha terminado.

7.14.- MEDICIN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Y DE LA

RESISTIVIDAD DE LA TIERRA.

MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO.

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de

la roca en estudios geofsicos, as como para encontrar los puntos ptimos para localizar la red de

tierras de una subestacin, sistema electrnico, planta generadora o transmisora deradiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosin de

instalaciones soterradas ya que por lo general se puede decir que terrenos con valores por

debajo de 10,000 -cm son corrosivos y por encima de los 15,000 -cm no lo son.

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La medicin de la resistividad del terreno es el factor ms importante al disear sistemas de

puesta a tierra ya que no depende de la voluntad del diseador por lo que constituye el primer

paso para el clculo de la resistencia a tierra que pueda tener un electrodo enterrado. De ella

depende la profundidad debe ser enterrado un electrodo para obtener un valor de resistencia de

puesta a tierra determinado.

Para la medicin de la resistividad del terreno el mtodo general es el siguiente: pequeos

electrodos son insertados en cuatro huecos de una profundidad dada y espaciados a lo largo de

una lnea recta a intervalos definidos y se inyecta un corriente elctrica entre los dos electrodos

externos y se mide el potencial, con un instrumento de alta impedancia de entrada, entre

diferentes puntos equidistantes a ambos lado del punto central entre los electrodos por lo que ese

inyecta la corriente.

Los mtodos ms tradicionales empleados en la medicin de la resistividad son el de Wenner y

el de Schlumberger

Mtodo de Wenner.

En 1915, el Dr. Frank Wenner del U.S. Bureau of Standards desarroll la teora de este mtodo

de prueba, y la ecuacin que lleva su nombre.

Con objeto de medir la resistividad del suelo se hace necesario insertar los 4 electrodos en el

suelo. Los cuatro electrodos se colocan en lnea recta y a una misma profundidad de penetracin,

las mediciones de resistividad dependern de la distancia entre electrodos y de la resistividad del

terreno, y por el contrario no dependen en forma apreciable del tamao y del material de los

electrodos, aunque s dependen de la clase de contacto que se haga con la tierra.

El principio bsico de este mtodo es la inyeccin de una corriente directa o de baja frecuencia a

travs de la tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el potencial que aparece se mideentre dos electrodos P1 y P2. Estos electrodos estn enterrados en lnea recta y a igual separacin

entre ellos. La razn V/I es conocida como la resistencia aparente. La resistividad aparente del

terreno es una funcin de esta resistencia y de la geometra del electrodo.

.47


48/99

En la figura se observa esquemticamente la disposicin de los electrodos, en donde la corriente

se inyecta a travs de los electrodos exteriores y el potencial se mide a travs de los electrodos

interiores. La resistividad aparente est dada por la siguiente expresin:

.48


49/99

( ) ( )

+

+

+

=

5.0225.02244

2

4

21

4:

BA

A

BA

A

RA

7.14.1

Donde:

: Resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m

A: Distancia entre electrodos en metros.

B: Profundidad de enterrado de los electrodos en metros.

R: Lectura del termmetro en ohms.

Si la distancia enterrada (B) es pequea comparada con la distancia de separacin entre

electrodos (A). O sea BA 20> , la siguiente frmula simplificada se puede aplicar:

RA= 2: 7.14.2

La resistividad obtenida como resultado de las ecuaciones representa la resistividad promedio de

un hemisferio de terreno de un radio igual a la separacin de los electrodos.

Como ejemplo, si la distancia entre electrodos A es de 3 metros, B es 0.15 m y la lectura del

instrumento es de 0.43 ohms, la resistividad promedio del terreno a una profundidad de 3 metros,

es de 8.141 ohm-m segn la frmula completa y de 8.105 ohms-m segn la frmula simplificada

Como la densidad de la corriente en el suelo decrece regularmente cuando aumenta la

profundidad en la vertical de los dos electrodos centrales de medida de potencial tal como se

muestra en la Fig. ---, y ya que la corriente penetra tanto ms profundamente en el suelo cuanto

ms alejados estn los electrodos de inyeccin es necesario determinar la profundidad a que se

desea investigar el terreno la que depender de la extensin que vaya a ocupar edl sistema de

puesta a tierra. En la prctica se puede admitir que la resistividad aparente es, bsicamente, la de

las capas comprendidas entre la superficie del suelo y la profundidad a la cual la densidad de

.49


50/99

corriente se ha reducido a la mitad de su valor en la superficie, siendo esta profundidad de

exploracin h =a . En la prctica la profundidad de exploracin se tomo como 0.75 A.

Mtodo de Schlumberger

El mtodo de Schlumberger es una modificacin del mtodo de Wenner, ya que tambin emplea

4 electrodos, pero en este caso la separacin entre los electrodos centrales o de potencial (a) se

mantiene constante, y las mediciones se realizan variando la distancia de los electrodos exteriores

a partir de los electrodos interiores, a distancia mltiplos (na) de la separacin base de los

electrodos internos (a)

.50


51/99

La resistividad se calcula en base a la siguiente expresin:

nanR += )1(2: 7.14.3

El mtodo de Schlumberger es de gran utilidad cuando se requieren conocer las resistividades de

capas ms profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones como con el mtodo Wenner.Se utiliza tambin cuando los aparatos de medicin son poco inteligentes. Solamente se

recomienda hacer mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas las lecturas por

estructuras subterrneas.

Algunos criterios prcticos a tener en cuenta al medir la resistividad del terreno son:

La profundidad del electrodo no debe sobrepasar 30 cm.

Es conveniente que se realicen mediciones en diferentes direcciones para un mismo

sondeo, por ejemplo de Norte a Sur y de Este a Oeste, debido a las caractersticas de

anisotropa de los suelos.

Al elegir la profundidad de exploracin no se recomiendan profundidades mayores a los

8 metros puesto que es muy difcil poder llegar con las tomas de tierra hasta esos niveles,

esto implica separaciones interelectrdicas hasta 8 metros.

.51


52/99

No es conveniente que las mediciones se realicen donde existan tomas de tierra o

tuberas, puesto que las mismas provocan que la corriente que se inyecta en el terreno

tome otra trayectoria no deseada perturbando as el resultado.

Si se quiere conocer la resistividad existente en una puesta a tierra, es obligatorio realizar

la medicin en una zona cercana a la misma, con caractersticas similares y con la misma

conformacin geolgica, a una separacin igual o mayor a tres veces la separacin de los

electrodos.

Al realizar las mediciones en las diferentes direcciones (Norte-Sur), los valores de

resistencia obtenidos para cada separacin entre electrodos a pueden ser promediados,

no pueden ser promediados valores obtenidos con diferentes a . Con estos valores

obtenidos se traza la curva de resistividad, por la cual se selecciona, a que profundidad

deben ser enterrados los electrodos.

En la prctica la resistividad del suelo se mide con un Megger de tierras de cuatro terminales que

sea capaz de inyectar a la tierra una corriente de una frecuencia diferente a la del sistema de

potencia de que se trate para que la frecuencia de la misma no coincida con la que este induce en

el suelo y en los propios conductores del sistema de medicin. En la actualidad ya existen

Meggerinteligentes que para las mediciones inyectan corrientes de diferentes frecuencias y

hace un anlisis estadstico de los resultados discriminando aquellos valores que se apartan

mucho del valor estadstico ms representativo. En todos los caso las lecturas que difieran ms de

un 40 % del promedio no deben tenerse en cuenta.

Los Megger tienen cuatro terminales 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) y as

estn numerados en el equipo. Adems requieren de electrodos conductores capaces de ser

hincados en la tierra a golpes y su longitud mnima debe ser de 60 cm y de un dimetro de

16mm. Son de una longitud aproximada de 60 cm y un dimetro de 16 mm. Los cables de

mediciones deben ser apantallados y de un calibre de cmo mnimo 14 AWG. Si durante las

mediciones se presentan oscilaciones se debe chequear el estado de las conexiones y el estado en

que quedaron hincados en la tierra los electrodos de medicin.

.Terrenos con diferentes capas de resistividad

.52


53/99

En la realidad la resistividad de un terreno es la correspondiente a la resultante de las diversas

capas de que est constituido, cada una de las cuales se encuentra a una profundidad especfica

tal como se muestra en la Fiog----. Puede suceder que una sola capa presente una resistividad tan

baja que la influencia de las dems sea imperceptible, tal como ocurre cuando se alcanza la zona

de humedad permanente o el manto fretico.

En general los suelos presentan comportamientos multicapas; pero una aproximacin adecuada se

puede lograr suponiendo que este se divide en dos capas, la primera de una profundidad h y la

segunda de una profundidad infinita, en este caso la distribucin de la corriente toma la

configuracin que se muestra en la Fig.---.

.53


54/99

En los casos en que exista una marcada diferencia como el caso de la Fig---

Para sistemas de puesta a tierra complejos por su importancia y dimensiones se requiere de un

estudio geolgico para determinar la resistividad de cada una de las capas que forman el suelo

hasta los niveles de profundidad requeridos y as poder determinar la resistividad equivalente del

terreno en cuestin aplicando alguno de los mtodos de clculo de la resistividad equivalente

que estn normados.

En el caso de las subestaciones para calcular la resistencia de puesta a tierra de la malla es

imprescindible aplicar este proceso cuando:

La resistividad del terreno no sea uniforme

Existen asimetras en la malla Existen espaciamientos desiguales en conductores o varillas

Se requiere ms exactitud en la determinacin de puntos de peligro local

Se desea un diseo ms optimizado

Uno de los mtodos de clculo ms empleados es el que se expone a continuacin:

Ar= 7.14.4

Donde:A: rea de la malla de puesta a tierra (m)S: rea que cubre el permetro del electrodo de tierra (m2).

222

0hrr =

Donde: r: Radio equivalente del rea de la malla (m)

( )hrrq += **2

Donde:

.54


55/99

h: Profundidad de la malla (m)

2

0

2

0

2

ii hrqu ++=

Donde:

ih

: Profundidad de la capa i (m)

2

0

2

1r

vF i

i= 00 =F

? Resistividad del terreno

Donde:vi: Variable auxiliar.

Fi: Funcin matemtica en general. i (O-mt)

? Resistividad del terreno

( )= =

n

i ii

i

equiva

FF1 1

*1

1

Donde: i : Resistividad equivalente de la capa i (O- mt)

Perfil de resistividad

En la determinacin del sistema de puesta a tierra que es ms aconsejable emplear es de gran

utilidad determinar el perfil de resistividad, que no es ms que la grfica resultante de trazar el

promedio de las mediciones de resistividad contra la profundidad de sondeo de las

mediciones.Para obtener el perfil de resistividad en un punto dado, se utiliza el Mtodo de

Wennertomando lecturas de resistividad a medida que se va aumentando el espaciamientos entre

los electrodos de prueba. Para cada espaciamiento se deben toman dos lecturas de resistividad en

direcciones perpendiculares entre s.

.55
http://www.ruelsa.com/notas/tierras/2.1http://www.ruelsa.com/notas/tierras/2.1http://www.ruelsa.com/notas/tierras/2.1http://www.ruelsa.com/notas/tierras/2.1


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Las condiciones que se pueden presentar al determinar el perfil de resistividad de un punto es que

la resistividad aumente con la profundidad (Fig.----- ), que disminuya con la profundidad(Fig.----

) o que se mantenga alrededor de un valor promedio. En los dos primeros casos es imprescindible

el empleo de cmo mnimo el mtodo de dos capas para determinar la resistencia de cualquier

sistema de puesta da tierra. El perfil de la resistividad del suelo determinar el valor de la

resistencia a tierra y la profundidad del sistema de puesta a tierra

.56


57/99


58/99

La medicin de la resistencia del sistema de puesta a tierra de una subestacin es difcil de

realizar, ya que es necesario situar un electrodo lo ms alejado posible de la misma y situar un

electrodo auxiliar en diferentes posiciones entre este y la subestacin hasta determinar una zona

en la cual la resistencia no cambie con la distancia.

.58


59/99

.59


60/99

Como se ha indicado, las variaciones climticas estacionales influyen sobre la resistividad de las

capas superficiales del terreno. Es por ello que las mediciones de la resistividad deben efectuarse

preferentemente en poca de seca.

La presencia en la zona de investigacin de cuerpos metlicos (por ejemplo canalizaciones

desnudas) o de filones de terreno de muy alta resistividad o de muy alta conductividad que

acaben aflorando a la superficie pueden perturbar las mediciones de la resistividad, ya que tales

obstculos originan modificaciones en la trayectoria de las lneas de corriente en el suelo y en

consecuencia del campo elctrico en el punto de medicin.

Por lo antes expuesto es que es necesario efectuar varias mediciones en diversas zonas del futuro

emplazamiento del sistema de puesta a tierra y con diferentes separaciones entre los electrodos.

Esto ltimo permite determinar si existen variaciones sensibles en la homogeneidad del suelo, en

cuyo caso los resultados difieran bastante unos de los otros. Mientras ms importantes sean las

desviaciones, ms lecturas debern tomarse, especialmente si alguno de los valores es tan altoque haga instuir problemas graves de seguridad una vez construida la instalacin de puesta a

tierra.

.60


61/99

Para un mismo punto de investigacin es preciso efectuar dos mediciones como mnimo segn

dos ejes perpendiculares entre s que pasen por el punto, recomendndose, no obstante, proceder

en otros lugares prximos, situados en la misma zona.

Las medidas deben efectuarse en condiciones representativas de la situacin de la toma de tierra

en el futuro, y por ello, si est previsto modificaciones en las condiciones naturales del terreno,

deben efectuarse las mediciones una vez terminadas esas variaciones (movimientos de tierra,

mejoramiento del terreno, etc.).

Otras posibles causas de perturbaciones durante las mediciones de la resistividad del terreno

puede tener relacin con las caractersticas del equipo de medicin utilizado, pues, generalmente,

se emplea uno que funciona con corriente alterna. La corriente alterna permite, en efecto,

eliminar los efectos parsitos de la polarizacin de los electrodos producidos por la corrientedirecta, y resulta insensible a las corrientes telricas y vagabundas pero, a causa del efecto

pelicular, penetra menos profundamente en el suelo que la corriente directa, efecto ste tanto ms

importante cuanto ms elevada sea la frecuencia de la corriente y menor la resistividad del

terreno. Por ejemplo, a 85 Hz se garantiza una penetracin en el suelo de 550 m en terrenos de

1000 -m y de 1700 m cuando la resistividad es de 100 -m.

Medicin de resistencia de tierra por tensiones inducidas

Este mtodo de medida es innovador. Ofrece la capacidad de medir la resistencia sin necesidad d

desconectar el sistema de tierra. Se utiliza comnmente para realizar verificaciones al estado de la

puestas a tierra en sistemas elctricos, donde el neutro o cable de tierra est conectado a tierra y corr

junto a toda la red como el caso mostrado en la Fig.----, y su uso por el momento est limitado a lo

esquemas de puesta a tierra tienen una sola toma de tierra en forma de varilla. No es recomendabl

para realizar mediciones en tomas de tierras ramificadas (ms de un electrodo o mallas de tierra).

.61


62/99

Sistema elctrico, donde el neutro o cable de tierra est conectado a tierra a lo largo de toda la lnea

El esquema del principio de medicin se indica en la Fig,--- ilustra el caso general de la

medicin de la resistencia de un lazo, formada por:

La toma de tierra Rx

La tierra

n tomas de tierra Una conexin entre las tomas de tierra haciendo la funcin de bucle para todas las tierras.

El devanado generador de la pinza desarrolla una tensin alterna de nivel constante E, el devanad

receptor mide la corriente I, conociendo el valor de la tensin impuesta por el generador y la corrient

medida, se calcula la resistencia del lazo (Rlazo) que es el valor que da el equipo de medicin y qu

est dada por:

RRRRRR connt ierraxlazo +++= //.....//1

Donde:

Rx : valor buscado.

.62


63/99

Rierra: valor de resistencia de la tierra, normalmente muy pequeo, inferior a 1 ohm.

Rcon: valor de la resistencia del conductor, normalmente muy pequeo, inferior a 1 ohm.

Como todas las dems tomas de tierra quedan en paralelo su valor se hace despreciable, por lo por

aproximacin, Rlazopuede ser tomada como Rx.

En trminos generales, este principio permite la bsqueda de tierra defectuosa. Si valor medido

es muy elevado se recomienda la inspeccin de la toma de tierra o la continuidad del enlace entreella y el sistema. La comparacin con los valores de los lazos circundantes permite localizar el

eslabn comn defectuoso, que debe ser sometido a un estudio profundo, o sea, la medicin de la

continuidad del cable conector de las tomas de tierra, la medicin de la resistencia local aislada

del resto de la red, etc.

7.15.- CAIDA DE POTENCIAL EN LOS ELECTRODOS DE TIERRA.

Para analizar la cada de potencial en los alrededores de un electrodo de tierra se parte porcomodidad de un electrodo semiesfrico en el cual se sabe que, para un terreno homogneo, la

densidad de corriente a una distancia cualquiera x del mismo est dada por:

.63


64/99

2x21

S

IJ

==

7.15.1Donde:

S - Area de una semiesfera.

J - Densidad de corriente a una distancia x del electrodo.El gradiente de potencial alrededor del mismo estar dado por:

dx

dUE=

7.15.2

Adems se sabe que:

=JE

7.15.3

Por tanto:

2x2

I

dx

dU

=

7.15.4

Por lo tanto el potencial a una distancia x cualquiera del electrodo estar dado por:

=

=

=

x

rx

2 x

1

r

1

2

Idx

x2

IU

7.15.4

En la Fig. 7.15.1 se muestra la variacin del potencial con la distancia para este electrodo, la

cual se corresponde con una variacin hiperblica en la cual para r2x = la cada de

potencial corresponde a la mitad del potencial absoluto del electrodo, el cual se obtiene

evaluando la expresin anterior para =x con lo que:

r2

IU

=

7.15.5

Como se puede apreciar de la expresin anterior el mismo resultado se habra obtenido de

multiplicar el valor de la resistencia de puesta a tierra de este tipo de electrodo (expresin 4.8.17)

por la corriente de falla.

.64


65/99

Bajo condiciones de circulacin de corriente a tierra un electrodo de puesta a tierra cualquiera

eleva su potencial respecto a la masa general de la tierra. Como se vio esta elevacin est dada

por el producto de la corriente por la resistencia de puesta a tierra y puede provocar trastornos de

consideracin en los sistemas de medicin, control y comunicacin. Este gradiente de potencial

sobre la superficie de la tierra tambin puede afectar a las personas y animales, an a

considerable distancia del electrodo.

En la Fig. 7.15.2 se muestra la distribucin del gradiente de potencial sobre la superficie de la

tierra para un electrodo vertical de 3 m y de 0.015 m de dimetro; en ella se puede apreciar el

alto gradiente de potencial dentro de los primeros centmetros alrededor del electrodo, el cual

depende del potencial del electrodo. Si este potencial es superior al permisible dicha zona debe

de ser aislada.

En la Fig. 7.15.2 tambin se muestra la caracterstica correspondiente al gradiente de potencial a

lo largo de la lnea formada por tres electrodos iguales al anterior separados 3 m entre s.

Inicialmente el gradiente de potencial, hasta alrededor de los 2 m, es ligeramente reducido, pero

sin embargo para distancias superiores esta disposicin da un gradiente de potencial superior. El

.65


66/99

efecto bueno que le corresponde a los tres electrodos es el dar una resistencia de puesta a tierra

menor, por lo que para iguales corrientes a tierra su potencial ser menor.

Para el caso de electrodos horizontales el gradiente de potencial se reduce considerablemente tal

como se muestra en la Fig. 7.15.3. En este caso los mayores gradientes ocurren a distancias de

los electrodos iguales a su profundidad. Para electrodos verticales el gradiente de potencial

superficial se puede calcular por:

( )

( )

+

++

=

=

d

L4ln1

1UUln

E

n

1i

ii

7.15.6

Donde:

rLU i =

n - Nmero de electrodos.

L - Longitud enterrada del electrodo.

ri - Distancia del punto P de la superficie del terreno al electrodo i en metros

(donde dri > ).

- Factor dado en la Tabla 7.9.3.

=

d

L4lnS

L

d - Dimetro de los electrodos.

S - Separacin entre los electrodos.

Para el caso de un slo electrodo ( )11,n == , E corresponde a la fraccin de potencial del

electrodo de la superficie equipotencial que tiene por radio "r" alrededor del electrodo.

7.16.- TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO.

Al presentarse una alta circulacin de corriente por un electrodo de tierra, ste alcanza una

tensin U determinada por la resistividad del terreno y por la magnitud de la corriente tal como

.66


67/99

se muestra en las ecuaciones 7.16.1 y en la 7.16.2 para un electrodo semiesfrico y uno vertical

respectivamente.

x2

IUx

=

7.16.1

++

=x

LxLln

L2

IU

22

x

7.16.2

.67


68/99

La cada de tensin ir disminuyendo hiperblicamente a medida que nos alejamos del electrodo

tal como se muestra en la Fig. 7.15.1. Si el electrodo semiesfrico de la Fig. 7.15.1 estuviera

situado en un terreno homogneo de 50 -m de resistividad y por l circulara una corriente de

1000 A su resistencia de puesta a tierra sera de 26,6 si su dimetro fuera de 0,3 m. Para estas

condiciones una persona parada a 10 m de distancia, Fig. 7.16.1, con los pies separados un metro

estara sometido a una diferencia de potencial entre sus pies (tensin de paso) de 80,2 V, la cual

es superior a los 50 V permisibles para corriente alterna para tiempos de desconexin de hasta 5

segundos.

Para las mismas condiciones una persona parada a un metro de distancia del equipo, con los pies

juntos y tocando al equipo estara sometido a una tensin de 18666,6 V (tensin de contacto) lo

que es extremadamente peligroso.

.68


69/99

Donde:

UO - Tensin de puesta a tierra.UC - Tensin de contacto.

Up- Tensin de paso.

Debe destacarse que los valores de tensin de paso y de contacto son las que se obtendran de la

medicin, con un instrumento de alta impedancia de entrada, en los puntos de referencia, sin

embargo, a la persona no quedara aplicado realmente esta tensin, sino la que resulte del divisor

de tensin que se forma segn se puede apreciar en la Fig. 7.16.2 para la tensin de paso y en la

Fig. 7.16.3 para la tensin de contacto. En ambos casos se puede apreciar la importancia de la

resistencia de contacto con el piso.

.69


70/99

Clculo de las tensiones de paso y de contacto en una malla de tierra.-

Las tensiones de paso y de contacto en una subestacin se calculan en base a las siguientes

expresiones:

.70


71/99

t

cU

c

s

paso

157.061000 +=

7.16.3

(

tcUc

s

Contac to

157.05.11000 +

7.16.4

Donde:tc : Tiempo de limpieza de la fallas

s : Resistividad aparente de la capa superficial, .m

: Resistividad aparente del terreno, .mhs : Grosor de la capa superficial, m

s

s

s hc

=2

109.0

Medicin de las tensiones de paso y de contacto.- La medicin de las tensiones de paso y de

contacto en las instalaciones elctricas es un aspecto de primordial importancia en lo referente a

la proteccin del personal que las opera para evitar accidentes elctricos. Los sitios de medicin

se toman al azar, tanto en la parte externa como interna y en tantos puntos como lo permita la

instalacin. Se debe dar prioridad a puntos ubicados en el permetro de la malla, pues en estos

sitios existe mayor probabilidad de tensiones altas, en especial los soportes metlicos, puertas

metlicas de acceso, rejillas de ventilacin accesibles a personas, carriles para el desplazamiento

de transformadores y, en general, cualquier otro tipo de elemento que, en un momento dado,

pueda estar en contacto con las personas, referenciando todos los lugares con una clara

identificacin.

Los electrodos de medida para simulacin de los pies debern tener una superficie de 200 cm2

cada uno con un disco metlico de 16 cm de dimetro y sobre ellos se debe ejercer una fuerza de

250 Newton. El cuerpo humano se reemplaza por una resistencia de 1000 Ohm.

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72/99

Se deben emplear fuentes de alimentacin adecuada para simular la falla, de forma que la

corriente inyectada sea suficientemente alta, a fin de evitar que las medidas no queden falseadas

como consecuencia de corrientes parsitas. Se procurar que la intensidad inyectada sea de orden

del 1% de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalacin.

Para subestaciones grandes se puede tomar como fuente de corriente una lnea de alta tensin que

proviene de una subestacin cercana a la que se debe inyectar una tensin tal que la corriente

pase de 50 A. En este caso la duracin de las fallas no deben pasar de 0.2 segundos y los

instrumentos registradores deben ser capaces de registrar la tensin durante todo el tiempo de

circulacin de la corriente

Para subestaciones de distribucin, se puede tomar un circuito de baja tensin o una plantaelctrica, pero lo ms alejada posible de la instalacin bajo prueba; de tal manera que se manejen

corrientes del orden de 5 A. Esta inyeccin de corriente puede dejarse por largo tiempo mientras

se toman todos los registros

.

Para instalaciones nuevas, sobre todo si son importantes, se recomienda efectuar las mediciones

cuando ya est montado todo el SPT y antes de proceder a la etapa de acabados asflticos, de

gravilla u otros.

Los esquemas generales de las mediciones se muestran en las Fig. 7.16.4, Fig. 7.16.5, Fig.

7.16.6 y Fig. 7.16.7.

.72


73/99

.73


74/99

Si los clculos basados en el diseo preliminar indican que pueden existir diferencias de

potencial peligrosos dentro de la subestacin, las siguientes posibles soluciones deben ser

estudiados y aplicadas donde sea apropiado:

.74


75/99

a) Disminucin total de la resistencia de tierra: Una total disminucin de la resistencia de

tierra disminuir el mximo GPR (mxima elevacin de potencial en la red de una

subestacin con respecto a un punto distante que se asume que est al potencial de tierra

remoto) y por tanto la mxima tensin transferida. La va ms efectiva para disminuir la

resistencia de una malla de tierra es por un incremento del rea ocupada por la malla. Pozos o

varillas enterradas profundamente pueden ser usados si el rea disponible es limitada y las

varillas penetran capas de baja resistividad. Una disminucin en la resistencia de la

subestacin puede o no disminuir apreciablemente los gradientes locales, dependiendo del

mtodo usado.

b) Espaciamiento cercano de la malla: Con el empleo de espaciamientos de los conductores

cercanos, la condicin del plato continuo puede ser aprovechado ms estrechamente.

Potenciales peligrosos dentro de la subestacin pueden por tanto ser eliminados a un costo. Elproblema en el permetro puede ser ms difcil, especialmente en pequeas subestaciones

donde la resistividad es alta. Sin embargo, es usualmente posible enterrar los conductores de

tierra por fuera de la lnea de la cerca para asegurar que los gradientes escarpados que surgen

inmediatamente fuera del permetro de la malla no contribuyan a mayores tensiones

peligrosas de contacto.

Otra manera efectiva y econmica de controlar los gradientes es incrementar la densidad de

varillas de tierra en el permetro. Esta densidad puede ser decrementada hacia el centro de la

malla.

Otro mtodo para controlar los gradientes perimetrales y los potenciales de paso es

enterrando dos o ms conductores en paralelo alrededor del permetro a profundidades

sucesivamente mayores segn la distancia de separacin de la subestacin. Otra metodologa

es variar el espaciamiento de los conductores colocando un espaciamiento menor de los

conductores cercanos al permetro de la malla.

c) Desviar una gran parte de la falla de corriente hacia otros caminos, conectando

conductores de guarda en lneas de transmisin o disminuyendo el valor de resistencia de la

base de la torre en las proximidades de la subestacin, parte de la corriente de la falla se

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76/99

desviar a partir de la malla. Sin embargo, en relacin con lo ltimo, debe ser valorado el

efecto de los potenciales de falla cercanos a las bases de las torres.

d) Limitando la corriente de falla total: Si es factible, limitando la corriente total de la falla

disminuir el GPR y todos los gradientes en proporcin. Sin embargo, otros factores harn

normalmente esto imprctico. Adems si es realizado a cuenta de un mayor tiempo de

limpieza de la falla, el dao puede ser incrementado en lugar de disminuir.

e) Limitando el acceso a reas limitadas: Limitando el acceso a ciertas reas se reducir la

probabilidad de daos al personal.

7.18.- PROTECCION DE LAS PUESTAS A TIERRA CONTRA LA CORROSION.

A la hora de instalar una puesta a tierra se debe conocer con exactitud las caractersticas del

terreno a fin de determinar su efecto sobre la instalacin. No hay dos suelos exactamente iguales

y los factores climticos como la lluvia, la temperatura, el sol, etc. pueden causar alteraciones en

sus propiedades.

La corrosin fundamental en el suelo es acuosa y el mecanismo es electroqumico. Debido a las

caractersticas heterogneas del un suelo puede encontrarse que sobre un mismo metal pueden

actuar distintos elementos de ese suelo, los que pueden dar lugar a zonas de potenciales elctricos

diferentes, lo que conduce a la formacin de zonas andicas y catdicas sobre el metal con el

consiguiente paso de corriente a travs del suelo y del metal.

La variacin de la estructura del suelo, las diferencias en contenido de oxgeno, la humedad, el

contenido de sales, materias orgnicas, pH, presencia de corrientes parsitas, son factores que

influyen en la corrosividad del mismo, as se puede dar el caso de que una toma de tierra pueda

ser destruida en el lapso de un ao y otras no sufren prcticamente nada.

La resistividad del suelo puede variar ampliamente, aunque este ndice de por s no es

determinante, en general se puede decir que terrenos con valores por debajo de 10,000 -cm son

corrosivos y por encima de los 15,000 -cm no lo son.

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77/99

La composicin qumica es fundamental ya que un suelo rico en cloruros, materias orgnicas,

etc. es altamente corrosivo. Un suelo con pH bajo, 4.0 o menos, puede considerarse corrosivo

para casi todos los metales; un pH por encima de 7.0 lo hace menos corrosivo, aunque estos

valores de por s tampoco son determinantes.

La estructura fsica debe conocerse ya que suelos arenosos y sueltos, si no contienen sales, son

menos corrosivos que los compactos que conservan la humedad y en los cuales se puede

presentar descomposicin de las materias orgnicas y con ello la biocorrosin.

La cercana a focos de contaminacin puede influir considerablemente por el efecto corrosivo de

las sales, cidos, etc. que se filtran a travs del terreno. Especial cuidado hay que tener con los

derrames cidos que se pueden presentar en las plantas y subestaciones.

En todos los casos el efecto de la corrosin en las partes soterradas es el de aumentar la

resistencia de puesta a tierra de la instalacin, la que puede alcanzar valores tales que hagan

inoperante la instalacin. Debido a esto es necesario el empleo, para las puestas a tierra, de

materiales lo ms resistentes posibles a la corrosin y/o el empleo de mtodos especiales

anticorrosivos.

Generalmente con el cobre se obtienen buenos sistemas de puesta a tierra dadas sus

caractersticas anticorrosivas, sin embargo tiene la desventaja de ser un material caro y

deficitario. El latn bajo ciertas circunstancias puede ser utilizado y por ltimo el hierro, que a

pesar de ser muy afectado por la corrosin, puede ser empleado satisfactoriamente con una

proteccin adecuada.

Los electrodos verticales de acero con un recubrimiento de cobre de 10 milsimas duran un

promedio de 35 aos en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milsimas dura hasta45 aos. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 aos. Los

electrodos de aluminio, aunque en Europa se han utilizado, no se recomiendan porque el

aluminio es un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos

qumicos que se le forman no son buenos conductores elctricos.

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Los cables empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable, acero galvanizado,

y cobre. Para evitar la corrosin galvnica en terrenos de baja resistividad, algunas compaas

elctricas desde el diseo utilizan en sus mallas de tierras, cable de cobre estaado para bajar el

potencial electronegativo entre los diferentes metales. El factor principal en la seleccin del

material es la resistencia a la corrosin

Para la proteccin adecuada, y cuando se justifique econmicamente, de los elementos soterrados

de las puestas a tierra es necesario recurrir a la proteccin catdica, pues los dems mtodos

anticorrosivos no son aplicables pues conllevan un aumento considerable de la resistencia de

puesta a tierra. La proteccin catdica puede ser por nodo de sacrificio o por corriente impuesta.

Tal como se muestra en la Fig. 7.18.1, este tipo de proteccin consiste en conectar a la estructura

que se desea proteger barras de un metal ms activo que el que conforma dicha estructura con lo

cual se crea una pila electroqumica donde el metal ms activo, que es denominado comnmente

metal de sacrificio, funciona como un nodo, disolvindose, y la estructura como ctodo,

ocurriendo esencialmente sobre ella slo el proceso de reduccin del medio oxidante.

En el circuito de la Fig. 7.18.1 se produce un flujo de electrones que van por el conductor

metlico, del nodo de sacrificio, con potencial ms negativo, hacia la estructura de potencial

ms positivo, cerrndose el circuito a travs del electrolito (suelo en este caso) mediante el

movimiento de aniones y de cationes. De esta forma la estructura se polariza catdicamente, o

sea, hacia valores ms negativos de potencial. Es necesario que la polarizacin sea lo

suficientemente fuerte para que el metal adquiera un potencial ms negativo que el de proteccin.

Para la proteccin de instalaciones de acero, los nodos utilizados son de magnesio, aluminio y

cinc o de aleaciones de los mismos ya que estos metales son ms activos que el acero en la

mayora de los electrolitos. Para la proteccin del cobre y sus aleaciones, adems de los metales

sealados, puede usarse acero de bajo contenido de carbono.

Como se muestra en la Fig. 7.18.2, la proteccin catdica por corriente impuesta consiste en

suministrar la corriente de polarizacin necesaria mediante una fuente externa de energa

elctrica de corriente directa, obtenida por lo general por rectificacin de corriente alterna.

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Con este mtodo se logra una confiabilidad mayor de la proteccin anticorrosiva ya que en todo

momento puede controlarse la intensidad de la corriente que circula y por tanto el potencial de la

estructura, no como ocurre con el nodo de sacrificio, el que una vez instalado acta

espontneamente y por lo tanto fuera de control, pudiendo, por diversas causas, llegar a

convertirse la proteccin en insuficiente. Su inconveniente fundamental es que consume energa

continuamente y su proteccin puede ser insuficiente si se presentan frecuentes y largas

interrupciones del servicio elctrico.

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7.19.- SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN LOS SISTEMAS ELCTRICOS.

Los sistemas elctricos de potencia desde el punto de vista de su conexin con respecto a tierra

pueden ser:

Sistemas aislados

Sistemas puestos a tierra

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Las diferentes posibilidades en los sistemas elctricos respecto a su puesta a tierra se muestran en

las se muestran en la Fig. 7.19.1 y Fig. 7.19.2.

SISTEMAS AISLADOS

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Los sistemas aislados (Fig. 7.19.1) no tienen una conexin intencional a tierra y la conexin a

tierra en ellos se hace a travs de caminos de alta impedancia debido a las capacitancias de los

alimentadores y la resistencia del aislamiento. La principal caracterstica de estos sistemas son las

bajsimas corrientes de cortocircuito monofsico a tierra en caso de falla y la necesidad de

dispones de protecciones muy sensibles para detectar dicha falla ya que la corriente de retorno

debido a la falla es a travs de las capacitancias distribuidas de los cables y lneas areas y

eventualmente la resistencia de la falla, esta corriente es independiente (prcticamente) del punto

en que ocurre la falla. Su principal ventaja es la mayor continuidad del servicio ya que pueden

seguir operando en la presencia de una falla monofsica. En estos sistemas se presentan

sobretensiones por corrimiento del neutro en el caso de las fallas a tierra y en el caso de fallas de

este tipo intermitentes sobretensiones extremadamente peligrosas de varias veces la tensin

nominal del sistema

El punto de falla, si est conectado a tierra a travs de cierta resistencia, asume una tensin que

no debe alcanzar valores peligrosos por lo que es importante entonces que las conexiones a tierra

de proteccin sean de baja impedancia y seguras para que no se presente peligro.

En un sistema con neutro aislado, la aparicin de una falla no afecta la operacin pero pone al

sistema en una condicin muy riesgosa ya que la segunda falla crear una condicin de

cortocircuito bifsico, con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas lneas.

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser

limitado, para minimizar riesgos.

En la prctica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales, que slo se utilizan en

redes de distribucin de pequea magnitud.

Si se utiliza este sistema se debe:

- Tener un seguro aviso de falla.

- No funcionar en falla ms de cierto tiempo.

- Tener puestas a tierra seguras, que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas.

- Mxima eficiencia en el mantenimiento.

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SISTEMAS PUESTOS A TIERRA

Los sistemas puestos a tierra (Fig.7.19.2(a)) se caracterizan por tener el neutro de los

transformadores y generadores conectados a tierra y en ellos no se producen las sobretensiones

que se presentan en los sistemas aislados ni la dificultad en detectar las corrientes de falla, pero

tienen una menor continuidad del servicio. Dado la alta corriente en el caso de fallas monofsicas

es posible emplear protecciones sencillas y muy rpidas para limpiar la falla pero presenta el

inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos, y

en especial los interruptores.

Si las corrientes de falla son muy elevadas, en especial las que tienen mayores probabilidades de

ocurrencia, fallas monofsicas a tierra y pueden presentar tensiones de falla peligrosas,

solicitaciones dainas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacin. En estos

casos se puede conectar el neutro a tierra a travs de una impedancia (resistencia o reactancia de

un valor adecuado para disminuir a valores no peligrosos las corrientes de falla tal como se

muestra en la Fig.7.19.1 (b) y Fig.7.19.2 (c). El sistema no puede funcionar con falla, y la

corriente de falla se utiliza como orden de actuacin de las protecciones, y se asla la falla, por

tanto, si se utiliza este sistema, se debe: eliminar rpidamente la falla y controlar las tensiones

peligrosas.

Empleando resistencias o inductancias la corriente de falla puede limitarse menos del 25 % de lafalla trifsica y con ello los sistemas de proteccin operan correctamente, pero si se emplea

inductancia se debe chequear la magnitud de las sobretensiones de maniobra que pueden llegar a

ser peligrosas, por lo que esta solucin no es recomendable en los sistemas de baja tensin. Con

resistencia las sobretensiones de maniobra son aceptables.

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un

transformador Yd, conectado a tierra el neutro de la estrella, o un reactor en conexin Z. Ambos

esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia desecuencia cero, con lo que resulta un efecto adecuado.

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Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra, sin embargo como en caso de falla

parte de la red se separa, la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacin para que

no se presenten situaciones con neutro aislado.

Uno de los aspectos con el que se debe ser en extremo cuidadoso cuando se conecta el neutro a

tierra es el efecto que el tipo de conexin que se haga sobre algunas componentes y aparatosinstalados en las redes elctricas en especial los descargadores y pararrayos de xido metlico.

A modo de resumen puede decirse lo siguiente sobre:

La conexin a tierra slida:

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias.

- Protege de sobretensiones impulsivas.

- Permite fcil selectividad frente a fallas a tierra.

- Permite seguridad de servicio.

- La magnitud de la corriente de falla es elevada.

La conexin a tierra con impedancia, y al lmite el sistema con neutro aislado:

- Dificulta la ubicacin de la falla.

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofsicas

7.20.- SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN LAS LINEAS AEREAS.

En las lneas areas se pondrn a tierra:

Las estructuras con cables protectores para todas las tensiones.

Las crucetas metlicas en todas las estructuras de hormign o de madera, y para todas las

tensiones donde exista conductor de neutro corrido.

Los transformadores de fuerza o de medicin, desconectivos u otros equipos elctricos,

excepto los desconectivos portafusibles.

Los valores de la resistencia de los sistemas de puesta a tierra de las estructuras indicadas se fijanteniendo en cuenta lo siguiente: en las lneas areas que operan a 34.5 kV y menores el valor

mximo de la resistencia a tierra es de 20 , excepto en las estructuras con desconectivos

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de operacin manual en cuyo caso su valor no ser superior a los 10 . Para las lneas de 110-220

kV los valores de la resistencia de puesta a tierra dependen de la resistividad del terreno:

Valor de la resistividaden -m

Valor mximo admisible de laresistencia ().

hasta 100 10de 101 a 500 15de 501 a 1000 20de 1001 a 5000 30

Se conectarn a tierra todos los conductores neutros cada 500 m a partir de la subestaciones y los

valores de la resistencia de puesta a tierra no sern superiores a 20.

La medicin de la resistencia de puesta a tierra de las lneas areas con cables protectores se

efectuar con ste desconectado o mediante cualquier mtodo que excluya su efecto o influencia.En todos los casos se debe efectuar la medicin para la condicin peor, es decir en la poca de

seca, en caso contrario los valores medidos se deben corregir por el factor estacional.

En las lneas areas de 34.5 kV y menores los valores de la resistencia de puesta a tierra se

garantizarn sin tener en cuenta la conductividad del material del cimiento de los postes o

elementos soterrados de las estructuras. Para tensiones superiores se pueden usar los cimientos de

hormign como sistema de puesta a tierra natural siempre que renan las condiciones

constructivas siguientes:

El recubrimiento del acero de refuerzo de los cimientos no puede ser superior a 35 mm

de espesor.

Se debe garantizar una adecuada continuidad elctrica entre todos los elementos

conductores mediante soldadura o con tornillos adecuados.

El conductor que se utilice como bajante a tierra en las estructuras de las lneas areas debe ser de

un material que no sufra una corrosin excesiva bajo las condiciones ambientales existentes.Comnmente se usan conductores de cobre de seccin transversal de como mnimo 12 mm y de

hierro o acero de seccin transversal de como mnimo 20 mm.

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Pueden utilizarse en calidad de bajante todos los elementos del encabillado y alambres

longitudinales no tensados de los postes de hormign armado cuando se garantice la adecuada

continuidad elctrica mediante soldadura o atornillado al sistema de puesta a tierra. En estos

casos es importante comprobar la estabilidad trmica de dichos elementos ante las corrientes de

corto circuito, la temperatura mxima admisible es de 60 C.

El dimetro mnimo de los electrodos verticales es de 16 mm y se instalarn a una distancia no

menor de 0.6 m del cimiento de la estructura o del poste cuando ste sea directamente enterrado.

Los sistemas de puesta a tierra de las lneas areas se instalar a una profundidad no menor de 0.5

m y en terrenos labrados no debe ser menor de 1.0 m. En caso de terrenos rocosos los electrodos

horizontales de puesta a tierra se deben colocar a una profundidad no menor de 0.1 m y deben ser

embebidos o cubiertos de hormign.

La medicin definitiva de los valores de la resistencia de puesta a tierra nunca se debe hacer

antes de los dos meses de instalado el sistema de puesta a tierra

.Los esquemas tpicos de instalacin de sistemas de tierra se muestran de la Fig.7.20.1 a la

Fig.7.20.10

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7.21.- SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN LAS SUBESTACIONES.

En la subestacin se pondrn a tierra los siguientes elementos:

Los chasis y bastidores de aparatos de maniobra.

Los envolventes de los conjuntos de armarios metlicos. Las puertas metlicas de los locales.

Las vallas y cercas metlicas.

Las columnas, soportes, etc.

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Las estructuras y armaduras metlicas de los edificios que contengan instalaciones de altatensin.

Los blindajes metlicos de los cables.

Las tuberas y conductos metlicos.

Las carcasas de los transformadores.

Los hilos de guarda o cables de tierra de las lneas areas.

Los neutros de los transformadores.

Los circuitos de baja tensin de los transformadores de medida.

Los limitadores, descargadores, pararrayos, para eliminacin de sobretensiones o

descargas atmosfricas.

Los elementos de derivacin a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.

Sern interconectadas todas las puestas a tierra de la subestacin (puestas a tierra de

servicio y proteccin), garantizando la equipotencialidad de la misma.

Los elementos metlicos de la construccin en edificaciones que alberguen instalaciones de alta

tensin, debern conectarse a tierra de acuerdo con las siguientes normas:

En los edificios de estructura metlica los elementos metlicos de la estructura

debern ser conectados a tierra. En estas construcciones, los restantes elementos

metlicos como puertas, ventanas, escaleras, barandillas, tapas y registros, etc., as

como las armaduras en edificios de hormign armado, debern ser puestas a tierra

cuando pudieran ser accesibles y ponerse en tensin por causa de fallas o averas.

Cuando la construccin estuviera realizada con materiales, tales como hormign en

masa, ladrillo o mampostera, no es necesario conectar a tierra los elementos

metlicos anteriormente citados, ms que cuando pudieran ponerse en tensin por

causa de defecto o averas, y adems pudieran ser alcanzados por personas situadas en

el exterior de los recintos de servicio elctrico.

Los elementos metlicos que salen fuera del rea de la subestacin, tales como rales y

tuberas, deben estar conectados a la instalacin de tierra general en varios puntos si su

extensin es grande. Ser necesario comprobar si estos elementos pueden transferir al

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exterior tensiones peligrosas, en cuyo caso deben adoptarse las medidas para evitarlo

mediante juntas aislantes, u otras medidas si fuera necesario.

La cerca de la subestacin se colocar a un metro hacia dentro del permetro de la malla, para

evit

sistema de puestas a tierra e los sistemas electricos2003 (modificado lester)

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