SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Introducción

Para tratar los aspectos que tienen que ver con la conexión de los sistemas de puesta a tierra, se ha tomado como referencia fundamental el RETIE reglamento técnico de instalaciones eléctricas, en el cual se fijan las condiciones de seguridad que se deben cumplir en el proyecto, ejecución mantenimiento y operación de los sistemas eléctricos. Tomando el sistema de puesta a tierra como un elemento fundamental para la protección de las personas, animales, equipos, y bienes materiales como los apartamentos, edificios, centros comerciales y la industria en general.

 En los últimos años a la seguridad se le ha dado la importancia que se merece, por tal motivo se evalúan los riesgos propios de los sistemas eléctricos y se hacen cumplir las normas de seguridad para minimizar la probabilidad de accidentes.

La puesta a tierra es la unión de un grupo de conductores con  el suelo, mediante electrodos enterrados.

Factores que determinan la resistencia de la puesta a tierra La resistencia de la puesta a tierra depende de varios factores

•  La resistividad del terreno
•  Humedad del terreno 
• Temperatura del terreno 
•  Sales disueltas en el terreno 
• Composición y compactación del terreno                                 
•  La distribución y longitud geometría de los electrodo 
•  Superficie de los electrodos enterrados 
•  Número de electrodos enterrados 
•  Profundidad a la cual han sido enterrados los electrodos

Funciones de un sistema de puesta a tierra 

 La función fundamental de un sistema de puesta a tierra es la protección de las personas, al limitar el voltaje de contacto cuando ocurre una descarga atmosférica o una falla en el sistema eléctrico. Por tal motivo en el diseño de un sistema de puesta a tierra se deben tener presentes los efectos fisiológicos de la corriente eléctrica sobre el cuerpo humano.

 Protección de las instalaciones: Los artefactos eléctricos deben dotarse de una instalación a tierra desde sus partes metálicas y que tengan riesgo de contacto accidental con las personas, con el fin de ofrecer un camino de muy baja resistencia a tierra, la corriente buscará este camino, envés de atravesar el cuerpo humano desde el dispositivo. La corriente al elevarse hace que las protecciones asociadas a la conexión a tierra operen interrumpiendo el suministro de corriente.

•  Despejar las fallas rápidamente.
•  Limitar las sobre tensiones de las estructuras metálicas con respecto a tierra, que se pueden producir en caso de una falla del sistema eléctrico
• Controlar tensiones de paso y tensiones de contacto  
•  Conducir a tierra las corrientes de falla
• Control de las descargas atmosféricas, canalizando la energía de los rayos a tierra protegiendo a las personas, instalaciones y las propiedades.
• La tierra asegura la actuación de los dispositivos de protección
•  Evitar la contaminación por ruido eléctrico con  señales diferentes a la señal deseada, esto se logra mediante blindajes conectados a la tierra física.
• Control de la electrostática: En sitios donde existen materiales inflamables es necesario controlar la electrostática estableciendo conexión a tierra, ya que se puede producir una chispa provocando fácilmente un incendio o una explosión.

Características que debe cumplir un sistema de puesta a tierra 

•  El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación 
•  La resistencia no debe variar con los cambios ambientales (altas temperaturas, bajas temperaturas, lluvia…)   
•  La vida útil de un sistema de puesta a tierra debe ser  mayor de 20 años  
•  Debe ser resistente a la corrosión 
• Debe permitir el mantenimiento periódico 
•  Los conductores de puesta a tierra  no deben ser interrumpidos por, seccionadores, fusibles, interruptores. 
• Cumplir con las normas y las especificaciones exigidas por el RETIE

Adicional mente, todos los neutros de las instalaciones eléctricas se deben conectar a tierra, además las partes metálicas de los motores, transformadores, electrodomésticos y aparatos de arranque de los motores.

Deben evitarse las tomas de tierra en terrenos corrosivos, en basureros, residuos industriales o en sitios donde no se facilite la penetración de agua
 
En las instalaciones eléctricas internas la conexión a tierra comienza en el tablero distribución “o en la caja de breakers” llegando hasta la tercera terminal o clavija de los toma corrientes.

Figura 2

El circuito de tierra se identifica con el color verde o verde con rayas amarillas, mientras que las líneas vivas tienen color rojo, negro ó azul, y el neutro tiene color blanco.
  
Esquema de conexión de un toma corriente con polo a tierra
La conexión a tierra se debe usar en:

• Circuitos de corriente alterna menores de 50 voltios 
•  Circuitos de corriente alterna entre 50 y 1000 voltios. 
•  Circuitos de corriente alterna de alta tensión 
•  Estructuras metálicas en sitios con peligro de explosión 
•  Los electrodomésticos deben tener su conexión a tierra

Los circuitos eléctricos que no se deben aterrizar, son aquellos que operan en hospitales en áreas de cuidados intensivos, tales como áreas de anestesia. Las normas técnicas establecen que la resistencia de puesta a tierra debe ser menor que 25 Ohmios a nivel residencial. Para subestaciones de gran  potencia la resistencia de puesta a tierra debe ser inferior a 1 Ohmio y en subestaciones pequeñas la resistencia debe ser menor o igual a 5 Ohmios.

Clasificación de los sistemas de puesta a tierra 

 Tierra de seguridad: se usa para conducir las corrientes de falla a tierra, controlando las diferencias de potencial que se puedan producir y que pueden afectar a las personas, los materiales y los equipos. La conexión a tierra tiene una función especial en sistemas con atmósferas explosivas o que contienen vapores inflamables ya que en dichos sistemas una concentración de cargas eléctricas puede producir una chispa eléctrica y por supuesto provocar una explosión.
 
Tierra para funcionamiento: Estas tierras son necesarias para el funcionamiento adecuado de los sistemas eléctricos tales como:

•  En los sistemas de distribución 
•  Neutros de transformadores 
•  Generadores  
• En la base de los pararrayos 
•  Aparatos de comunicación con el fin de controlar el ruido eléctrico e interferencias en los circuitos electrónicos
•  Sistema de tierras temporales: Es una tierra instalada por personal de mantenimiento en trabajos de media y alta tensión, después de haber des energizando el sistema eléctrico y que garantiza la seguridad de las personas que están realizando el mantenimiento o que se encuentran en las proximidades de la zona de trabajo.

Ubicación de una puesta a tierra

Para ubicar una conexión a tierra, se deben tener en cuenta los planos de instalaciones subterráneas: instalaciones eléctricas, instalaciones sanitarias, instalaciones de acueducto e instalaciones de gas, así como la presencia de combustibles líquidos, combustibles gaseosos, y otras estructuras enterradas para no interferir con ellas.

Se deben buscar zonas libres destinadas a jardines, patios y pasadizos donde el sitio sea húmedo, buscando ubicarla lo más cercano posible de los contadores de energía.
Construcción y partes fundamentales de una conexión a tierra
Componentes interiores:

La puesta a tierra con electrodo vertical es la más usada, debido al poco espacio que ocupa. Se emplea una varilla de cobre, hierro cobrizado, hierro galvanizado, coper well, la cual se clava en la tierra preferiblemente húmeda y en el extremo superior se coloca una abrazadera, a la cual se le conecta un conductor que va conectada al neutro del sistema.

Cuando el terreno es rocoso y árido, se utiliza electrodo horizontal. Se emplea un electrodo simple de cobre tipo pletina o un conductor desnudo extendido en una zanja.  
             
Figura 2. Componentes de un sistema de puesta a tierra

 Electrodos:

Los electrodos son cuerpos metálicos en contacto directo con el terreno, con el fin de dispersar en el suelo las corrientes de falla. Los electrodos pueden ser de varios tipos:

• Electrodo tipo varilla de acero recubierta de cobre 
•  Electrodo tipo placa 
• Electrodo en malla
• Conductores: Deben ser cables trenzados de cobre electrolítico, cuyo calibre debe estar de acuerdo a las necesidades de la instalación.
•  Los conductores usados normalmente son cables ya que son más fáciles de manejar que los conductores rígidos.  Los conductores usados son cables desnudos, la sección mínima y la corriente que puede transportar
•  Cable de cobre estañado 
•  Hierro galvanizado  

Tabla 1. Conductores y materiales más empleados en sistemas de puesta a tierra
SECCIÓN [mm2]

MÁXIMA CORRIENTE ADMISIBLE EN AMPERIOS CONDUCTORES DE ACERO CONDUCTORES DE ALUMINIO CONDUCTORES DE COBRE 35 --- 200 250 50 100 250 350 70 175 --- --- 100 200 --- --- 200 300 --- ---
1. Acabado exterior 2. Electrodo principal  3. Grapa  4. Conductor de conexión  5. Auxiliar del electrodo 6. Empalme múltiple soldado  7. Pozo vertical  8. Relleno conductor  9. Lechos de sal 10. Niveles e impregnación
 
 Conectores: Los conectores se usan para unir los conductores y los electrodos. Los conectores pueden ser de tornillo, conexión por compresión (abrazadera), de soldadura exotérmica y soldadura por fusión autógena.

Los conectores típicos son desmontables y de bronce, con sistema de presión por rosca. Para conectar el electrodo vertical se prefiere borne simple en anillo con diámetro interior variable desde (0.013 – 0.025) metros.  Las conexiones entre los diferentes componentes deben ser mecánicamente robustas, tener buena resistencia a la corrosión y baja resistencia eléctrica.

Cuando se unen materiales diferentes por ejemplo cobre y aluminio se deben limpiar las superficies cuidadosamente y protegidas por un inhibidor de óxido. Una vez hecha la conexión, el exterior debe recubrirse con pintura bituminosa para proteger el ingreso de humedad. Cuando se une el cobre con el aluminio, el cobre se debe estañar primero. Estas conexiones no se pueden enterrar.
Soldadura con estaño:
Las conexiones exotérmicas se realizan mediante moldes de grafito diseñados para el tipo de unión y el tamaño de los conductores. Se enciende una mezcla de polvos de aluminio y oxido de cobre, la reacción produce una unión de cobre virtualmente puro en torno a los conductores. La reacción de alta temperatura se produce en el interior del molde de grafito. Este método se usa en uniones de mallas de puesta a tierra, que no pueden recibir mantenimiento, ni ser inspeccionadas.
 
CARACTERISTICAS DE LA TIERRA

La tierra en términos generales se considera como un mal conductor, ya que esta compuesta principalmente de oxido de silicio y oxido de aluminio que son altamente resistivos. La conductividad es un fenómeno electroquímico, electrolítico, por tal motivo depende del agua depositada o el nivel de humedad y de la presencia de sales disueltas el  suelo. En la resistividad del terreno influyen los siguientes factores:

•  La humedad del terreno  
• Temperatura 
•  Concentración de sales disueltas 
•  Naturaleza de los suelos 
•  La compactación del terreno 
•  La estratificación del terreno

 
La humedad del terreno: La resistividad del terreno está determinada por la humedad del mismo, los componentes del terreno normalmente no son buenos conductores, la conductividad del terreno es mejorada notoriamente cuando este es humedecido.

La temperatura: La resistividad de los suelos, también depende de la temperatura. Temperaturas superiores a 0 ºC tienen poca incidencia en la resistividad. Sin embargo la resistividad del terreno crece para temperaturas inferiores a 3 ºC bajo cero.
 
 Variación de la resistividad en función de la temperatura
Concentración de sales: Al presentar más concentración de sales en el terreno,  mejora notablemente su conductividad. La resistividad del suelo esta determinada por las sales disueltas y la cantidad de sales disueltas depende a su vez de la humedad del terreno.

Cuando existe demasiada humedad existe la posibilidad de que se lave el terreno y se arrastre la sal que rodea los electrodos aumentando la resistividad. No se debe ubicar el electrodo cerca de un río porque son terrenos muy lavados y por tanto más resistivos que lo normal.
La composición del terreno: El terreno esta compuesto normalmente de oxido de silicio y de oxido de aluminio

Compactación del terreno: La compactación del terreno disminuye la distancia entre las partículas, mejorando la conducción a través de la humedad contenida en este, al retener la humedad por más tiempo, los suelos presentan una resistividad casi uniforme, independiente de si hay verano o invierno.
 
A medida que aumenta el tamaño de las partículas aumenta el valor de la resistividad, por eso la grava tiene mayor resistividad que la arena, la arena a su vez tiene mayor resistividad que la arcilla. Resistividad de algunos materiales

NATURALEZA DEL TERRENO
RESISTIVIDAD                      ( OHMIOS – METRO)
Terrenos cultivables y fértiles, terraplenes compactos y húmedos
50
Terraplenes cultivables poco fértiles
500
Suelos pedregosos, arenas secas permeables
3000
Terrenos pantanosos
De algunas unidades  - 30 Limos 20 – 100 Turba húmeda 5 – 100 Margas y arcillas compactas 100 – 200 Arena arcillosa 50 – 500 Arena silícea 200 – 3000 Suelo pedregoso cubierto de césped 300 – 500 Suelo pedregoso desnudo 1500 – 3000 Calizas compactas 1000 – 5000 Calizas agrietadas 500 – 1000 Pizarras 50 – 300 Granitos y gres muy alterados 100 – 600 Hormigón 2000 – 3000 Grava 3000 – 5000
La tabla siguiente muestra los valores de resistividad donde se aprecia la diferencia entre el agua de mar y el hielo.

 Y se puede concluir que el agua de mar es un buen conductor de electricidad.  

 TIPO DE SUELO O AGUA DE MAR

VALOR TÍPICO DE RESISTIVIDAD  ( OHMIO – METRO) Agua de mar 2 Arcilla 40 Aguas subterráneas 50 Arena 2000 Granito 25000 Hielo 100000

El agua de río, de pozos o del mar (con sales disueltas) es buena conductora con respecto a los buenos terrenos. Los suelos de grano muy fino son buenos conductores si se comparan con los suelos de granos medios y mejores que los suelos de grano grueso

Medida de la resistencia de puesta a tierra La resistencia de puesta a tierra  está determinada por la resistividad del terreno, a más baja resistividad del terreno más baja será la resistencia de puesta a tierra.

Para leer la resistencia de puesta a tierra se usa instrumento llamado TELUROMETRO. Existen telurómetro análogo y digital. El telurómetro inyecta corriente a la malla de tierra, cerrando circuito por medio del electrodo C y midiendo el voltaje entre la malla y el electrodo de potencial.

Equipo necesario para la medida de resistencia de puesta a tierra

• Telurómetro 
•  Dos piquetas de acero de 30 centímetros de longitud y 14 milímetros de diámetro 
•  Cables flexibles y aislados que van desde el telurómetro hasta el electrodo de potencial y el electrodo de corriente de 100 metros y 150 metros de longitud respectivamente 
•  Grapas de conexión, con pinzas tipo cocodrilo  Maza o martillo para clavar las piquetas  Flexómetro 
•  Herramienta de uso general

Por otro lado el telurómetro debe cumplir las siguientes características:

•  El equipo debe tener indicación de ruido eléctrico 
•  Verificación de conexiones. 
•  El equipo debe ser compacto 
•  Fácil manejo 
•  Permitir almacenamiento de información
•  Debe tener interfase para un PC 
• Debe ser múltiplo 3, 4 terminales 
• La lectura debe ser confiable  

Mejoramiento de una tierra

Las tierras se pueden mejorar de diferentes formas:  Usando varillas de mayor diámetro  Usando varillas mas largas Tratando químicamente el terreno: Usando químicos tales como:

•  Bentonita: Arcilla mineral de silicato de aluminio que absorbe hasta 13 veces su peso de agua y aumenta hasta 13 veces su volumen con respecto a cuando esta seco el terreno, y la primera carga puede durar de 2 a 3 años. 
• Gel: con base de silicato de aluminio y magnesio, complementados con sales químicas, este consigue la reducción de la resistencia de puesta a tierra de los electrodos hasta un valor entre el 25% al 80% el valor original. 
•  Yeso: El sulfato de calcio se usa como material e relleno ya sea solo o mezclado con bentonita o con el suelo natural, el área tiene baja resistividad aproximadamente 5 – 10 ohmios. 
•  Hidrosolta: Básicamente la hidrosolta es una mezcla de óxidos de metales con las siguientes especificaciones técnicas: o Resistividad: 30 ohmios – cm. o Permitividad relativa: 100000000 o PH hidrosolta 35% de agua o No es ácido

Procedimiento:

• Se hace un pozo de 80 centímetros de profundidad y 80 centímetros de diámetro
• Se mezcla la tierra extraída del pozo con el químico 
•  Se rellena el pozo hasta unas tres cuartas partes con la mezcla 
•  Se agregan 40 litros de agua en el pozo 
•  Se agita la mezcla del pozo teniendo sin golpear el electrodo  
•  Se repone el resto de terreno y se compacta

Cuando la resistividad del terreno es menor de 60 ohmios - metro solo se requiere una varilla de 2.4 metros para una instalación residencial. Para terrenos con resistividades mayores de 60 ohmios - metro se deben colocar dos varillas en paralelo, a una distancia adecuada entre las ellas.  
 
1. Se hace un pozo de 80 centímetros de diámetro y 80 centímetros de profundidad
           
2. Después de hacer el pozo se debe escoger el material extraído, eliminando guijarros y piedras.  Al material seleccionado se le agrega el gel o la sustancia química que se usa para  mejorar la resistencia de puesta a tierra.

3. Posteriormente se debe colocar la mezcla de la tierra revuelta con el gel o la bentonita en el pozo, sobre el electrodo recubriendo tres cuartas partes del pozo.

4. A continuación se le deben vaciar unos 40 litros de agua a la mezcla. 5. A continuación se procede a revolver la mezcla con el agua hasta que se forme una pasta, teniendo cuidado de no golpear el electrodo.

5. Por último se  repone el resto del suelo retirado, se compacta y se hace la caja de inspección.
80 cm
80 cm
 
No se debe usar arena, polvo de coque, ceniza, materiales ácidos, materiales corrosivos, para mejorar la resistencia de puesta a tierra. El material debe ayudar a retener la humedad. La arcilla dura no debe ser material de relleno ya que se puede volver impermeable al agua cuando se compacte y podría permanecer seca.  

Secuencia de operaciones para colocar una puesta a tierra y en cortocircuito cuando se hace un mantenimiento

• En alta tensión: 
•  Comprobación visual del buen estado del equipo de puesta a tierra y cortocircuito. 
•  Comprobar que el verificador de ausencia de tensión es el apropiado. 
•  Comprobación visual del buen estado del equipo de protección individual, especialmente de los guantes aislantes para alta tensión. 
•  Comprobar el buen funcionamiento del verificador de ausencia de tensión, prestando especial atención a la tensión o gama de tensiones nominales y al estado de las baterías. 
•  Conectar la pinza o grapa de puesta a tierra al electrodo de tierra (pica, punto fijo, estructura metálica, etc.) y, en su caso, desenrollar totalmente el conductor de puesta a tierra. 
•  Ponerse los guantes aislantes, las gafas inactínicas, la pantalla facial, el casco de seguridad y, si procede, el arnés o cinturón de seguridad. (Si la pantalla facial es inactínicas, no serán necesarias las gafas). 
• Situarse, si es factible, sobre alfombra aislante. 
•  Verificar la ausencia de tensión en cada una de las fases. 
•  Comprobar de nuevo el correcto funcionamiento del verificador de ausencia de tensión. 
•  Conectar las pinzas del equipo de puesta a tierra y cortocircuito a cada una de las fases mediante la pértiga aislante.  
• Secuencia típica de operaciones para retirar una puesta a tierra  En alta tensión: 
• Comprobación visual del buen estado del equipo de protección individual, especialmente los guantes aislantes para alta tensión, y ponérselos. 
•  Situarse, si es posible, sobre la alfombra aislante. 
•  Desconectar mediante la pértiga aislante las pinzas del equipo de cada una de las fases y, después, desconectar la pinza o grapa del electrodo de tierra (pica, punto fijo o estructura metálica del apoyo).
• En baja tensión:

•  Comprobar el buen estado del equipo de protección individual, especialmente de los guantes aislantes para baja tensión, y ponérselos. 
•  Situarse sobre la banqueta, tarima o alfombra aislante, cuando proceda. 
•  Desconectar las pinzas del equipo de cada una de las fases (o los cartuchos insertados en el porta fusibles) y del neutro. 
•  Desconectar la pinza de puesta a tierra del conductor de protección o de la toma de tierra del cuadro de baja tensión.

El equipo de protección individual requerido para la retirada de la puesta a tierra en baja tensión es el mismo citado anteriormente para su colocación.

Estas disposiciones se aplican tanto a las instalaciones de baja como de alta tensión. Con respecto a su aplicación, hay que tener en cuenta que: La desconexión, así como la prevención de cualquier posible reconexión, se cumplen si se satisfacen los requisitos indicados, es decir, cuando los dispositivos de desconexión a ambos lados del fusible estén a la vista del trabajador, el corte sea visible o el dispositivo de desconexión proporcione garantías equivalentes.

 En el caso de tener que acceder a un fusible después de la desconexión de los dispositivos situados a ambos lados del mismo, debería comprobarse la ausencia de tensión mediante el equipo correspondiente.

 En el caso de la reposición de fusibles conectados directamente al primario de un transformador, el procedimiento para llevar a cabo la única puesta a tierra y en cortocircuito requerida es el mismo que ya se ha indicado para la supresión de la tensión en cualquier instalación.