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INSTITUTO NACIONAL DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL ÁREA ELECTRICIDAD, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SEDE COLON
Puestas a Tierra de Baja Tensión Prof. Claudio González González Cruz Año Académico Académico : P’2001 P’2001
Generalidades Las puestas a tierra se establecen con el objetivo principal de limitar la tensión que con respecto a tierra, pueden presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la operación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone la avería en el material utilizado. Así pues, la instalación de puesta a tierra se considera como un circuito de protección paralelo a la instalación eléctrica.
Se resalta que el objetivo principal de la puesta a tierra es el de limitar la tensión de cualquier elemento respecto a tierra. Se debe recordar que, desde el punto de vista eléctrico, los accidentes se pueden reducir o eliminar disminuyendo la tensión, o aminorando el tiempo de contacto con materiales en tensión. Con las puestas a tierra disminuimos el primer riesgo, pues evitamos que las masas metálicas se puedan poner en tensión al tenerlas conectadas a tierra, y también parte del segundo, si además, de la puesta a tierra se disponen protecciones diferenciales de alta sensibilidad.
El presente texto solo abordará las configuraciones de puestas a tierra más utilizadas en nuestro medio, es decir, las las barras, las mallas y las combinaciones combinaciones barra – malla.
ctr ico de lo s Cuando se trató el tema del sondeo eléctrico vertical en el apunte “Est ud io Geoelé Suelos” , se dejo claro que este estudio solo nos daba como resultado final, la resistividad y los espesores de los diferentes estratos que componen el terreno investigado. El detalle es que para poder determinar la resistencia teórica de una puesta a tierra se necesita como uno de los antecedentes de entrada, una variable variable que represente una resistividad única, equivalente equivalente a la acción conjunta de las distintas resistividades de los estratos presentes en el área a ocupar por dicho sistema. A esta variable se le denomina Resistividad Equivalente . I NA C AP C O LO N
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1.0
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Resistividad Equivalente
La resistividad equivalente será única cuando se trate de un terreno homogéneo, debido a que ésta, no sólo depende de las características eléctricas y del espesor de los estratos presentes en el suelo, si no que, además, depende de la configuración geométrica de la puesta a tierra.
En la actualidad se determina esta resistividad equivalente, mediante el criterio de Burgsdorf – Yakobs, el cual establece las siguientes consideraciones:
1.- El área o superficie encerrada por el perímetro de la malla, que corresponde a un circulo de radio r, y el valor que se calcula mediante la expresión:
r=
S
π
(Ec. 1)
Donde: r S
: Radio medio o equivalente de la malla (m). : Superficie de la puesta a tierra (m2).
2.- La resistividad equivalente de un terreno de "n" capas capas equivale a la de uno homogéneo. Para él se han encontrado las siguientes expresiones:
r0 r Rh = 2 × π × r0 ρ
(Ec. 2)
r0 = r 2 − he2
(Ec. 3)
sen −1
Donde: Rh : Resistencia de la puesta a tierra para un terreno homogéneo (Ω) . he : Profundidad a la cual se entierra la malla (m).
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3.- Para el terreno multiestratificado multiestratificado la resistividad de puesta a tierra se calcula mediante las siguientes expresiones:
r0 r 2 r0 − vi2 − r02 − vi2−1 ρ
sen −1 Rme = 2× π×
n
∑ i=1
vi =
1 2 2 2 q h r + + − i 0 2
(Ec. 4)
(q2 + hi2 + r02 )2 − (4 × q2 × r02 )
q = 2 × π × (r + he )
(Ec. 5)
(Ec. 6)
Donde: Rme : Resistencia de de la puesta a tierra para un terreno multiestratificado (Ω). ρ : Resistividad del terreno (Ω-m).
4.- Finalmente, igualando las ecuaciones anteriores, resultan las siguientes expresiones:
ρ eq =
Fn n
1
∑ ρ [F − F i= 1
i
i −1
(Ec. 7)
]
i
vi2 Fi = 1 − 2 r0
(Ec. 8)
Donde:
ρeq : Resistividad equivalente del terreno (Ω-m). hi
ρi
: Profundidad de la capa “i” (m). : Resistividad de la capa “i” (Ω-m).
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Procedimiento para el Cálculo de la Resistividad Equivalente
Tomando como base las expresiones anteriores, a continuación se entrega el procedimiento de calculo recomendado para determinar la resistividad equivalente de un terreno sondeado (asumiendo que ya se conocen las resistividades y espesores de los estratos).
Calcular el radio medio de la malla.
r=
S
π
Donde: S
: Superficie de la puesta a tierra (m2).
Calcular la variable auxiliar r 0 de la malla.
r0 = r 2 − he2 Donde: r he
: radio medio de la malla (m). : Profundidad a la cual se entierra la malla (m).
Calcular la variable auxiliar “q” de la malla.
q = 2 × π × (r + he ) Donde: r he
: radio medio de la malla (m). : Profundidad a la cual se entierra la malla (m).
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Calcular las variables auxiliares “vi” de la malla. d1.- Para un terreno de dos estratos:
v1 =
1 2 q + (E1 )2 + r02 − 2
(q2 + (E1 )2 + r02 )2 − (4 × q2 × r02 )
v2 =
1 2 2 q E E + ( + ) + r02 − 1 2 2
(q2 + (E1 + E2 )2 + r02 )2 − (4 × q2 × r02 )
d2.- Para un terreno de tres estratos: Idem para v1 y v2, agregando:
v3 =
1 2 2 q E E E + ( + + ) + r02 − 1 2 3 2
(q2 + (E1 + E2 + E3 )2 + r02 )2 − (4 × q2 × r02 )
d3.- Para un terreno de cuatro estratos: Idem para v1 , v2 y v3 agregando:
v4 =
1 2 q + (E1 + E2 + E3 + E4 )2 + r02 − 2
(q2 + (E1 + E2 + E3 + E4 )2 + r02 )2 − (4 × q2 × r02 )
Donde: ENº : Representa el espesor de las capas (m).
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Calcular las variables auxiliares “Fi” de la malla. e1.- Para un terreno de dos estratos:
F0 = 0 v12 F1 = 1 − 2 r0 v22 F2 = 1 − 2 r0 e2.- Para un terreno terreno de tres estratos: Idem para F0 , F1 y F2, agregando:
v32 F3 = 1 − 2 r0
e3.- Para un terreno de cuatro estratos: Idem para F0 , F1 , F2 y F3 , agregando:
v42 F4 = 1 − 2 r0
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Calcular la resistividad equivalente.
f1.- Para un terreno de dos estratos:
ρ eq =
F1 − F0
ρ1
F2
+
F2 − F1
ρ2
Donde:
ρ1 : Resistividad de la primera capa (Ω-m). ρ2 : Resistividad de la segunda capa (Ω-m).
f2.- Para un terreno de tres estratos:
ρ eq =
F1 − F0
ρ1
F3
+
F2 − F1
+
ρ2
F3 − F2
ρ3
Donde:
ρ3 : Resistividad de la tercera capa (Ω-m).
g3.- Para un terreno de cuatro estratos:
ρ eq =
F1 − F0
ρ1
+
F2 − F1
ρ2
F4
+
F3 − F2
ρ3
+
F4 − F3
ρ4
Donde:
ρ4 : Resistividad de la cuarta capa (Ω-m).
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2.0
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Sistemas de Puesta a Tierra
En los siguientes puntos se describirán las configuraciones de sistemas de puesta a tierra más utilizados en nuestro País, no queriendo decir con esto que son las únicas ni las mejores respecto a otras.
2.1
Electrodo Vertical
Esta configuración de puesta a tierra, tiene como principal defecto el hecho de que su resistencia es bastante elevada. Por ejemplo, y tomando como base una resistividad de suelo de 100 (Ω-m), la resistencia resistenc ia de una barra b arra de d e 1,5 mts. por po r ¾ ” φ alcanza en promedio a los 60 (Ω)
Debido a lo anterior, se recomienda su uso solo en el caso de que se complemente con dispositivos diferenciales.
La ecuación que permite determinar su resistencia es:
Re =
ρ eq 2 × L1 × ln 2 × π × L1 a
(Ec. 9)
Donde: Re : Resistencia del electrodo (Ω). L1 : Largo del electrodo (m). ρeq : Resistividad equivalente del terreno (Ω-m). a : Radio del electrodo (m).
2.2
Conductor Enmallado
Este tipo de configuración, a diferencia de la anterior, presenta la ventaja de que se pueden conseguir valores de resistencia bastante más pequeños, pero a un costo mayor.
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Para el cálculo de la resistencia de un enmallado o también denominado malla de puesta a tierra, existen dos alternativas de cálculo, una debida a Laurent y la otra debida a Schwarz.
2.2.1
Método de Laurent
Este método de cálculo solamente considera como parámetros fundamentales de la malla, los concernientes a la longitud del conductor que la conforma, y el radio equivalente de la misma.
Debido a lo anterior, algunos autores nombran a este método como el “método aproximado” de Laurent.
La expresión que permite determinar la resistencia de la malla de puesta a tierra mediante este método, es la siguiente:
RML =
ρ eq ρ eq + 4 × r Lm
(Ec. 10)
Donde: RML : Resistencia de la malla por Laurent (Ω). r : Radio medio de la malla (m). Lm : Longitud total del conducto de la malla (m). ρeq : Resistividad equivalente del terreno (Ω-m).
2.2.2
Método de Schwarz
Este método de cálculo a diferencia del anterior, considera tanto las características del terreno, como las concernientes a la malla, debido a esto, al método se le llama “exacto”.
Las expresiones de calculo que permiten determinar la resistencia de una malla mediante Schwarz, se presentan en la página siguiente.
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2 × Lm K1 × Lm + × ln − K2 S he × d 2,3 × he A K1 = 1,43 − − 0,044 × S B RMS =
ρ eq π × Lm
K2 = 5,5 −
8 × he h A + 0,15 − e × S S B
(Ec. 11)
(Ec. 12)
(Ec. 13)
Donde: RMS : ρeq : Lm : S : d : he : A : B : 2.3
Resistencia de la malla por Schwarz (Ω). Resistividad equivalente del terreno (Ω-m). Longitud total del conducto de la malla (m). Superficie de la puesta a tierra (m2). Diámetro del conductor de la malla (m). Profundidad a la cual se entierra la malla (m). Longitud por el lado de mayor dimensión de la malla (m). Longitud por el lado de menor dimensión de la malla (m).
Conductor Enmallado con Electrodos Verticales
Esta configuración de sistema de puesta a tierra consiste en agregar a la malla, electrodos o barras verticales, con el fin de conseguir una resistencia de menor valor, comparativamente con la lograda al haber utilizado la malla sola.
Si la resistencia de la malla determinada por Schwarz la denotamos como R MS , y la resistencia de los electrodos como Re, tenderemos que las expresiones que permiten determinar la resistencia total del conjunto malla – electrodos son las contenidas en la siguiente página.
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RE =
4 × L1 ρe 2 2 × K1 × L1 1 n 1 × ln − + × − ( ) (Ec. 14) 2 × π × L1 × n a S
RME = RMS RTC
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ρ − e π × Lm
L1 − 1 × ln he × d
2 RMS × RE − RME = RMS + RE − 2 × RME
(Ec. 15)
(Ec. 16)
Donde: RE : RME : RMS : RTC : ρeq : L1 : a : n : S : Lm : d : he :
3.0
Resistencia de los electrodos (Ω). Resistencia malla - electrodos (Ω). Resistencia de la malla por Schwarz (Ω). Resistencia total del conjunto (Ω). Resistividad equivalente del terreno (Ω-m). Largo del electrodo (m). Radio del electrodo (m). Número de electrodos. Superficie de la puesta a tierra (m2). Longitud total del conducto de la malla (m). Diámetro del conductor de la malla (m). Profundidad a la cual se entierra la malla (m).
Diseño Preliminar del Sistema de Puesta a Tierra
Como hemos visto en las ecuaciones que definen el calculo de la resistividad equivalente, el antecedente primario, es la superficie y características de la malla de puesta a tierra, información, que el proyectista del sistema ya debe tener definido, sobre la base de los parámetros indicados en la página siguiente.
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Superficie de la Malla
Para determinar la superficie de la malla de puesta a tierra, no existe una ecuación general que sirva para este efecto, principalmente la definición de la superficie de la malla depende del área disponible, tipo de terreno y la experiencia del proyectista.
A continuación se presentan algunas recomendaciones de superficie de mallas, en función del tipo de terreno en el caso de querer conseguir una resistencia máxima de 5 (Ω). 2
-
Para terrenos con una resistividad promedio de 50 ( Ω-m): 16 m .
-
Para terrenos con una resistividad promedio de 100 ( Ω-m): 25 m .
-
Para terrenos con una resistividad promedio de 150 ( Ω-m): 100 m .
2
2
3.2
Conexiones a la Malla
Mediante cables continuos de secciones adecuadas y uniones que garanticen un 100% de conductividad, deberán conectarse a la malla de puesta a tierra los siguientes elementos:
a)
Todas las partes metálicas metálicas que normalmente normalmente no conducen corriente, corriente, pero pero que accidentalmente por fallas de aislación, aislación, pueden quedar quedar energizadas.
b)
Varillas, tuberías y toda clase de estructuras metálicas enterradas enterradas dentro del perímetro perímetro de la malla.
c)
Pararrayos, condensadores de acoplamiento y cuando corresponda, los neutros de
los
transformadores, máquinas rotatorias, circuitos secundarios de poder, y los secundarios de los transformadores de tensión y de corriente.
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3.3
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Unión entre los Conductores de la Malla
Existen dos alternativas de unión entre los conductores de la malla de puesta a tierra, uno es el denominado prensas de unión y el otro es el sistema denominado como termofusión.
En la práctica, no se recomienda el uso de prensas para la unión de los conductores de puesta a tierra, debido a que no ofrece un grado de unión adecuado entre los conductores, lo que trae como consecuencia un aumento de la resistencia de contacto.
Preferentemente entonces, se deberá preferir realizar las uniones entre los conductores de la puesta mediante termofusiones.
Polvo de Ignición Polvo de Soldadura Disco de Retención Cable
Molde de Grafito
Figura 1 / Molde de grafito para soldaduras de alto punto de f usión
Los procesos de termofusión se basan en reacciones químicas de Oxido-reducción.
En el proceso de termofusión aplicado a la unión de conductores de cobre, la reacción es la siguiente:
Oxido Cobre + Aluminio = Cobre + Oxido Alum inio + H La gran cantidad de energía generada (H), funde el cobre que cae en forma de colada de fundición, en tanto que el Oxido de Aluminio arrastra impurezas, y por su menor densidad sube como escoria. I NA C AP C O LO N
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El polvo de soldadura es una mezcla de óxido de cobre y aluminio, cuya reacción exotérmica produce metal fundido. El cobre fundido fluye a través del canal sobre los conductores, fundiéndolos y soldándolos.
Esta unión así obtenida es de gran estabilidad físico – química en el tiempo, y altamente resistente a las solicitaciones térmicas y eléctricas a las cuales puede ser sometida.
3.4
Camarillas de Registro
La resistencia de puesta a tierra de un electrodo, un conjunto de electrodos o una malla, deberá poder medirse sin dificultades.
Para cumplir lo anterior, se debe dejar por lo menos un punto de la puesta a tierra accesible, adoptándose una disposición como la mostrada en la siguiente figura:
Figura 2 / Camarilla de inspección
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4.0
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Procedimiento de Medición de la Resistencia de una Puesta a Tierra
Para efectuar la medición de la pue sta a tierra, se utiliza el mismo instrumento empleado para medir la resistividad del terreno.
Las precauciones a tener presente en la medición de la resistencia de la puesta a tierra son:
a) La instalación eléctrica eléctrica debe estar desenergizada. desenergizada.
b) Se deben retirar todas las las conexiones a la puesta a tierra.
Para conocer el valor de la resistencia de una puesta a tierra ya instalada, se deberá seguir el siguiente procedimiento:
a) Uno de los electrodos de corriente corriente del instrumento (borne
R I
V
V
I
del extremo izquierdo, asumiendo una vista frontal del equipo de medición), se debe conectar al sistema de puesta a tierra a través de la camarilla de registro.
Se debe conectar el borne de potencial (más próximo), al borne de corriente indicado anteriormente.
R I
V
V
I
b) El otro electrodo de corriente corriente del instrumento se conecta al terreno a través de un electrodo auxiliar, a una distancia (d), no inferior a los 20 metros en el caso de una malla de puesta a tierra, y a una distancia (d), no inferior a 10 veces
L (m)
d (m)
la longitud en el caso de tener un electrodo vertical (barra).
El tercer electrodo del instrumento (potencial), se conecta a través de un segundo electrodo auxiliar al terreno, y se desplaza sucesivamente entre los los electrodos de corriente corriente a una distancia distancia (L), teniendo como punto de partida la puesta a tierra.
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c) Finalmente con la distancia distancia de separación del electrodo de potencial (tercer electrodo del instrumento), y los
Resistencia (Ω)
valores de resistencia indicados por este, se procede a confeccionar una gráfica de resultados. En donde la curva representativa de la medición adquiera un valor horizontal sostenido, se entenderá que éste es el valor de
RPT
la resistencia de la puesta a tierra en estudio.
L (mts)
5.0
Mejoramiento de Terrenos
El concepto del mejoramiento de terrenos, consiste en "simplemente" poder disminuir la resistencia de la puesta a tierra configurada.
Los parámetros de mayor influencia en la resistencia de una puesta a tierra son:
-
La resistencia propia del sistema de puesta a tierra o resistencia de contacto, dada por las características físicas de la puesta a tierra.
-
La resistividad del suelo, dada por las características conductivas de éste.
La resistencia de un sistema de puesta a tierra, entonces, podrá mejorarse atacando las situaciones anteriormente descritas, mediante las siguientes posibilidades:
-
Modificando la resistencia propia del sistema.
-
Modificando la resistividad del terreno.
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5.1
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Mejoramiento de la Resistencia de Contacto para Electrodos Verticales
En el caso de que un solo electrodo no sea suficiente para cumplir con un valor adecuado de resistencia de puesta a tierra, una práctica útil es la de utilizar varias barras verticales con el fin de proveer trayectorias paralelas de corriente a tierra.
En este caso, el sistema de puesta a tierra tenderá a asemejarse a u n circuito resistivo paralelo, con lo que la resistencia total de la puesta a tierra, disminuiría en función de la cantidad de barras verticales interconectadas.
Lo anterior expresado en formula, adopta la siguiente estructura:
RT = K ×
Re Ne
(Ec. 17)
Donde: RT K Re Ne
: Resistencia total (Ω). : Constante de combinación. : Resistencia de un electrodo (Ω). : Número de electrodos en paralelo. Tabla 1 Constantes de combinación para electrodos paralelos N° de Electrodos
k
2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.1523 1.3053 1.4139 1.4982 1.5670 1.6252 1.6756 1.7201 1.7599
La distancia de separación entre barras paralelas debe ser igual al doble de la longitud del electrodo utilizado. I NA C AP C O LO N
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5.2
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Mejoramiento de la Resistencia de Contacto para Conductores Enmallados
Como la resistencia de la puesta a tierra es una resistencia de contacto, para bajarla bastará solo con aumentar la superficie de contacto entre el suelo y los conductores que forman la malla de puesta a tierra.
Para lograr lo anterior, solo es necesario aumentar el diámetro de los conductores de la malla y el área cubierta por la misma. Es claro que e sta solución es antieconómica, por lo tanto poco práctica.
5.3
Modificación de la Resistividad del Suelo
Como sabemos, la conducción en el suelo es iónica y no electrónica como es en el caso de los conductores metálicos, por lo tanto, para bajar la resistividad de un terreno, bastará con adicionar iónes al suelo.
Existen varias formas de realizar el acondicionamiento de un terreno, una de ellas es utilizando diversas sales químicas como lo son el sulfato de cobre, sulfato de sodio, sulfato de magnesio, carbonato de sodio, cloruro de sodio, etc.; sin embargo, este tipo de mejoramiento pierde efecto al cabo de varios meses debido a que las lluvias y la porosidad del suelo hacen que estos compuestos se disuelvan y migren totalmente.
Otros materiales utilizados en la reducción de la resistividad del terreno son los derivados del carbono, los cuales cuando son llevados a diámetros de una granulometría muy pequeña proporcionan elementos estabilizadores de muy baja resistividad.
Las arcillas osmóticas por su propiedad de retener el agua durante largos periodos de tiempo también son utilizados en el tratamiento de suelos, sin embargo hay que tener cuidado con la contracción y expansión de estas arcillas en los periodos de lluvia y sequía.
Otro de los métodos de modificación de la resistividad de los terrenos es el uso de barras químicas, la que es ideal en el caso de suelos que presentan una elevada resistividad, y tienen dimensiones físicas reducidas como para utilizar una malla de una superficie importante. I NA C AP C O LO N
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Puestas a Tierra de Baja Tensión
Prof. Claudio González Cruz
Las barras químicas consisten en un electrodo tubular fabricado con cobre electrolítico, con el fin de que el oxido formado en su superficie sea buen conductor. Este tubo esta relleno con sales minerales, las cuales se saturan con el aire y se disuelven lentamente, saliendo al terreno por orificios diseminados a lo largo del tubo; minando con estas sales la hemisferia de influencia, proveyendo así el electrolito necesario para una buena conductividad.
Referencias -
NCH 4/84 Instalaciones Interiores de Baja Tensión Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción
- Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra Seminario de Electricidad – INACAP Colón - Sistemas Sistema s de Puesta Puest a a Tierra Maria Morelli – Universidad de Carbono - Distribución Industrial de la Energía Mario Lillo Saavedra – Universidad de Concepción - Catálogo de Materiales para Puestas a Tierra Alco Sur
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