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1. 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
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.
2. Definición
Puesta a tierra: Es la unión de un grupo de conductores con el suelo, mediante
electrodos enterrados.
2.1. 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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 1
Temperatura del terreno.
Sales disueltas en el terreno.
Composición y compactación del terreno.
La distribución y longitud geometría de los electrodos.
Superficie de los electrodos enterrados.
Número de electrodos enterrados.
Profundidad a la cual han sido enterrados los electrodos.
2.2. 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. Efectos que ya fueron estudiados en
unidades temáticas anteriores.
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, en lugar 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 sobretensiones de las estructuras metálicas con respecto a
tierra, que se pueden producir en caso de una falla del sistema eléctrico.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 2
Controlar tensiones de paso y tensiones de contacto.
Una tierra es la referencia de un sistema eléctrico, cero voltios ya que la tierra
funciona como un conductor de potencial neutro, es decir, sin energía eléctrica.
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. La
conexión a tierra neutraliza la acumulación de cargas electrostáticas producidas
en los materiales dieléctricos o aislantes, esto se logra conectando a tierra las
estructuras metálicas.
2.3. Características que debe cumplir un sistema de puesta a tierra
El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 3
La tierra debe estar asociada a dispositivos de protección tales como interruptores automáticos, Interruptores diferenciales, toma corrientes GFCI
La resistencia no debe variar con los cambios ambientales.
La vida útil de un sistema de puesta a tierra debe ser mayor de 20 años.
Debe ser resistente a la corrosión.
Debe ser de costo moderado.
Debe permitir el mantenimiento periódico.
Los conductores de puesta a tierra no deben ser interrumpidos por,
seccionadores, fusibles, interruptores u otros.
Cumplir con las normas y las especificaciones exigidas por el RETIE
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 4
La revisión del sistema de puesta a tierra debe ser al menos anual, en la época en la que el terreno esté más seco, y debe ser realizada por personal
técnicamente calificado. Se deben reparar rápidamente los defectos encontrados.
3. Puesta a tierra
La conexión a tierra proporciona una protección fundamental para las personas,
animales y a las instalaciones eléctricas residenciales, comerciales e industriales.
En el año de 1897 se dieron las primeras indicaciones de cómo se debía conectar
a tierra las carcazas de los motores y generadores eléctricos, en el año de 1941
se introdujo formalmente en el National Electrical Code (NEC), en Estados Unidos
de América.
Los sistemas eléctricos se conectan sólidamente a tierra en el punto de
distribución de la energía eléctrica (ver figura 1) con el fin de limitar el voltaje a
tierra durante la operación normal y para prevenir voltajes excesivos provocados
por fenómenos transitorios tales como descargas atmosféricas, contactos
accidentales con líneas de voltaje mayor y condiciones de falla en el sistema.
Figura 1: Conexión a tierra en el poste1
1 Norma técnica de puesta a tierra RA-010 DE Empresas públicas de Medellín
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 5
Adicionalmente, 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 tomacorrientes. Los conductores eléctricos de las instalaciones interiores,
deben ser aislados, 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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 6
LINEA NEUTRA
LINEA DE TIERRA
LINEA VIVA
TOMACORRIENTE CON CONEXIÓN A
TIERRA
Figura 2: Esquema de conexión de un tomacorriente con polo a tierra2
Figura 3: Esquema de conexión a tierra
2 Tomado de: Compañía Nacional de fuerza y Luz - CNFL
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 7
110 V
110 V
220 V
NEUTRO
FUSIBLE
FUSIBLE
TIERRA. POTENCIAL CERO
FUSIBLE
Figura 4: Conexión física de una varilla de puesta a tierra
La punta y el alma de la varilla deben ser de acero para facilitar la clavada
con una maza o un martillo
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 8
110 V
110 V
220 V
NEUTRO
FUSIBLE
TIERRA. FÍSICA
Varilla de 1.8 m. a 2.4 m.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 9
Figura 5: Esquema de conexión de una instalación residencial3
En el contador de energía se conecta el neutro a tierra antes de entrar a la casa,
en la figura se observa la conexión a tierra de las cajas metálicas del contador y la
caja de breakers llamada caja de distribución. Esto se hace para proteger las
personas contra posibles contactos indirectos.
4. 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.
Pararrayos.
Figura 6: Conexión a tierra de electrodomésticos4
3 Grupo Schneider4 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 10
5. Los circuitos eléctricos que no se deben aterrizar
Circuitos 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.
APLICACIÓNVALORES MÁXIMOS DE
RESISTENCIA DE
PUESTA A TIERRA
Estructura de líneas de transmisión 20 Ω
Subestación de alta y extra alta tensión 1 Ω
Subestación de media tensión 10 Ω
Protección contra rayos 10 Ω
Neutro de acometida en baja tensión 25 Ω
Tabla 1: Valores de la resistencia de puesta a tierra
6. Clasificación de los sistemas de puesta a tierra
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 11
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 carga eléctrica puede
producir chispas eléctricas 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: Acción de poner a tierra partes activas no
energizadas para permitir la ejecución de trabajos sin peligro de choque eléctrico.
7. 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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 12
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.
Se debe evitar ubicar la puesta a tierra donde exista transito vehicular.
8. Construcción y partes fundamentales de una conexión a tierra
8.1. 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. Los principales componentes de una puesta a tierra
(Verticales/Horizontales).
8.1.1. Registro con Tapa (Opcional)8.1.2. Electrodo Principal8.1.3. Grapa Desmontable8.1.4. Conductor de Conexión8.1.5. Pozo vertical / Zanja Horizontal8.1.6. Relleno Conducto8.1.7. Lechos de Sal8.1.8. Niveles de Impregnación
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 13
Acabado exteriorElectrodo principal Grapa Conductor de conexión Auxiliar del electrodoEmpalme múltiple soldado Pozo vertical Relleno conductor Lechos de sal10. Niveles e impregnación
Figura 7: Componentes de un sistema de puesta a tierra5
8.2. Componentes periféricos: Corresponden a todos los elementos instalados a
la línea de tierra desde el borne al tablero de distribución, mediante un conductor
aislado o desnudo de 10 mm2 de sección
Figura 8: Componentes periféricos de un sistema de puesta a tierra6
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:
5 Procobre Curso de tierras6 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 14
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 a tierra se describen en la tabla 2:
SECCIÓN
[mm2]
MÁXIMA CORRIENTE ADMISIBLE EN AMPERIOSCONDUCTORES
DE ACERO
CONDUCTORES DE
ALUMINIO
CONDUCTORES DE
COBRE
35 --- 200 25050 100 250 35070 175 --- ---
100 200 --- ---200 300 --- ---
Tabla 2: Conductores y materiales más empleados en sistemas de puesta a tierra
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
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 15
Por seguridad se debe considerar los conductores de puesta a tierra como si estuvieran
sometidos a tensión
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.
Figura 9 Electrodo vertical y su conector7
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.
7 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 16
Soldadura con estaño:
Figura 10: Soldadura de estaño8
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.
8 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 17
Proceso de soldadura:
Figura 11: Soldadura exotérmica paso19
Figura 12: Soldadura exotérmica paso 210
9 Procobre Curso de tierras10 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 18
Al iniciar la soldadura por medio del encendido del ignitor, este provoca el
encendido de la mezcla de óxido de cobre y aluminio.
La mezcla se convierte rápidamente fundición de cobre y aluminio a más
de 2000 ºC.
Una vez derretido el material se dirige hacia la cavidad del molde donde se encuentran los elementos a soldar
Figura 13: Soldadura exotérmica paso 311
Figura 14: Soldadura exotérmica paso 412
11 Procobre Curso de tierras12 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 19
Por efecto de mayor peso específico del cobre
líquido, este tiende a bajar hacia el fondo del
molde
La fusión es muy rápida, provocando una unión molecular.El aluminio se oxida a expensas del óxido de cobre, se convierte en óxido de aluminio
Figura 15: Soldadura exotérmica paso 513
9. Protección de la puesta a tierra contra riesgo de electrocución
En el artículo 15 del RETIE, se trata en detalle el concepto de la puesta a tierra.
“Se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad
de los seres humanos, es la máxima energía eléctrica que pueden soportar,
debida a las tensiones de paso, de contacto o transferidas y no el valor de
resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Sin embargo, un bajo valor de
la resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir la máxima
elevación de potencial (GPR por sus siglas en inglés). La máxima tensión de
contacto aplicada al ser humano que se acepta, está dada en función del tiempo
de despeje de la falla a tierra, de la resistividad del suelo y de la corriente de falla.
Para efectos del presente Reglamento, la tensión máxima de contacto o de toque
13 Procobre Curso de tierras
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 20
Se rellena la totalidad de la cavidad del molde con cobre líquido una parte aportado por la soldadura y parte por los elementos a soldar. Se aumenta la sección transversal del conductor aumentando la capacidad de corriente.La escoria que se forma puede ser removida con un pincel de cedas suaves una vez se abre el molde.
no debe superar los valores dados en la Tabla 3, tomados de la figura 44A de la
IEC 60364-4-44.”14
Tabla 3. Valores máximos de tensión de contacto aplicada a un ser humano.
“Los valores de la Tabla 3 se refieren a tensión de contacto aplicada a un ser
humano en caso de falla a tierra, corresponden a valores máximos de
soportabilidad del ser humano a la circulación de corriente y considera la
resistencia promedio neta del cuerpo humano entre mano y pie, es decir, no
considera el efecto de las resistencias externas adicionalmente involucradas entre
la persona y la estructura puesta a tierra o entre la persona y la superficie del
terreno natural.” 15
9.1. Contacto directo: Ocurre cuando una persona toca directamente las partes
activas o energizadas y sufre un choque eléctrico, las figuras muestran como
puede ocurrir un contacto directo o un contacto indirecto.14 RETIE15 RETIE
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 21
Figura 16: Contacto directo
9.2. Contacto indirecto: El contacto indirecto sucede cuando la persona toca una
estructura metálica, la cual en condiciones normales debe estar desenergizada,
pero debido a la pérdida del aislamiento del sistema eléctrico, se producen fugas
de corriente hacia la estructura provocando este tipo de falla. Esto lo hemos visto
cuando una señora la electriza la estufa, la solución que ella toma es la de pararse
sobre un tapete o una tabla, este es un caso típico de contacto indirecto.
Otro caso típico es cuando se toca un motor y se sufre un choque eléctrico
provocado por la perdida de aislamiento en su interior. Al conectar a tierra el
chasis de la estufa, la lavadora, la carcasa del motor, o de cualquier estructura
metálica se controlan las electrizadas provocadas por los problemas de
aislamiento.
Figura 17: Contacto indirecto
9.3. Tensión de contacto o toque: Es necesario tener en cuenta que, durante el
breve intervalo de tiempo que tardan en actuar los dispositivos automáticos de
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 22
La corriente a través del cuerpo humano, mostrado
en la figura se evitaría con la conexión a tierra del chasis
de la lavadora o de cualquier electrodoméstico
protección de la instalación, existirá tensión entre el electrodo de tierra y el terreno
circundante. Se conoce como «tensión de contacto» la diferencia de potencial
existente entre la mano y el pie de un trabajador que tocara en ese momento el
electrodo de tierra (o cualquier conductor unido a él) y estuviera pisando el terreno
a cierta distancia del mismo.
Para determinar este valor se considera que tiene los pies juntos, a un metro de
distancia del electrodo y la resistencia del cuerpo entre la mano y el pie es de
2500 ohmios.
9.4. Tensión de paso: El voltaje existente entre dos puntos del terreno situados a
1 m. de distancia entre sí en dirección al electrodo de tierra se conoce como
«tensión de paso», es la que afectaría a un trabajador que se encontrara
caminando en las cercanías del electrodo de tierra en el momento de la avería.
Esta diferencia de potencial será tanto mayor cuanto más cerca se encuentre del
electrodo.
Las citadas tensiones de paso y de contacto serán tanto menores cuanto menor
sea el valor de la resistencia de tierra, de ahí el interés de que la toma de tierra
sea lo mejor posible.
Cuando sea necesario instalar una toma de tierra en la zona de trabajo, es preciso
elegir cuidadosamente el lugar más adecuado para conseguir que el valor de la
resistencia de la toma de tierra sea lo más baja posible. En general, se elegirá el
lugar más húmedo del entorno cercano a la zona de trabajo.
“Para determinar la tensión de contacto, se debe comprobar mediante el empleo
de algún procedimiento de cálculo, tal como el análisis de circuitos siguiendo los
lineamientos de IEC, o el método consignado en la norma IEEE 80, considerando
las restricciones para cada caso.”16
16 RETIE
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 23
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 24
Figura 18: Tensiones de contacto, paso y transferencia17
9.5. Tensión de transferencia: Es la máxima tensión que puede aparecer entre
dos sistemas de tierra independientes al circular la máxima corriente de falla a
tierra en uno de ellos, siendo ambos sistemas accesibles simultáneamente,
pudiendo ser puenteados (Establecer una conexión directa entre ellos) por un
individuo. Esta tensión puede provocar un choque eléctrico.
17 Grupo Schneider
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 25
La corriente tiene alta resistencia con respecto a la tierra y encuentra un camino a través del hombre
Figura 19
10. Factores que determina la resistividad del terreno
La resistividad del terreno se define como la resistencia de un metro cúbico de
tierra.
Figura 20: Resistividad del terreno
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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 26
1m
1 m
1 m ρ = La resistividad del terreno esta dada en
Ω - metro
LR
Sρ=
R = Resistencia en Ohmios= Resistividad del terrenoL = LongitudS = Sección transversal
1 m
Ω
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 esta determinada por la
humedad del terreno, los componentes del terreno normalmente no son buenos
conductores, la conductividad del terreno es mejorada notoriamente cuando este
es humedecido, pues la resistividad del terreno la humedad. El siguiente gráfico
muestra la variación de la resistividad en una muestra de arcilla con porcentaje de
humedad contenida, obsérvese que a medida que aumenta el porcentaje de
humedad de la muestra, disminuye la resistividad medida en [ mΩ− ]
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 27
La temperatura
Temp. ( Temp. ( °° C )C )
Rh
o (
Oh
m
Rh
o (
Oh
m --
m)
m)
0 0 °° CC
Figura 21: Variación de la resistividad en función de la humedad relativa
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 como muestra en las la figura 22.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 28
Figura 22: 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. (Figura 23)
Figura 23: Variación de la resistividad del terreno en función del porcentaje de sal
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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 29
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.
Figura 23: Variación de la resistividad del terreno en función de su compactación
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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 30
NATURALEZA DEL TERRENORESISTIVIDAD
( 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
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 31
Hormigón 2000 – 3000
Grava 3000 – 5000
Tabla 4: Resistividad de algunos materiales
En la siguiente tabla se muestran los valores de resistividad, evidenciándose 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 MARVALOR TÍPICO DE RESISTIVIDAD
( OHMIO – METRO)
Agua de mar 2
Arcilla 40
Aguas subterráneas 50
Arena 2000
Granito 25000
Hielo 100000
Tabla 5: Resistividad del agua de mar y hielo
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
11. Medición de la resistividad
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 32
Método de Wenner: En el método de Wenner o método de los cuatro terminales
se disponen los electrodos en línea recta uniformemente espaciados como
muestra la figura, y se aplica cuando el terreno es homogéneo. Se inyecta un
voltaje conocido entre los electrodos P1 y P2 y se mide la corriente entre los
electrodos C1 y C2 (Figura 24), posteriormente se aplica la ley de Ohm, o se
emplea un Telurómetro, que es un instrumento que puede medir la resistividad del
terreno directamente.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 33
VR
I=
Telurómetro es el equipo
necesario para medir la
resistencia de puesta a tierra
b
Figura 24: Método de Wenner para determinar la resistividad del terreno
Las ecuaciones que se emplean son las siguientes:
Donde:
ρ : Resistividad del terreno (Ohmio – metro)
R: Resistencia en (Ohmios)
a: Distancia entre electrodos (metros)
b: Profundidad de penetración de los electrodos (metros)
n: Factor aproximado que tiene un valor entre 1 y 2 (depende e la relación b/a)
La segunda ecuación puede aproximarse a:
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 34
Se puede aproximar a las siguientes expresiones:
= 4 aR si b>a
= 2 aR si b< a
ρ πρ π
Ejemplos de las mediciones y cálculos se dan en la siguiente tabla
VALORES MEDIDOS
a [metros] a [metros] R [Omhios]Resistividad [ mΩ− ]
4 0.2 15 3778 0.4 1.6 80
12 0.4 0.93 7016 0.4 0.78 80
Tabla 6: Ejemplote una medición de puesta a tierra
La medida de la resistividad del suelo se hace inyectando corriente a través de
dos electrodos dispuestos en línea recta y midiendo la tensión que aparece entre
los electrodos intermedios. La relación entre la tensión y la corriente nos da el
resultado de la resistencia. La profundidad del enterramiento de los electrodos,
debe ser menor al 5 % de la separación entre electrodos es decir 1/20 parte de la
separación entre electrodos.
Para medir la resistividad del terreno se debe usar un telurómetro digital de 4
terminales, que inyecte una corriente del orden de los mili amperios en forma de
onda cuadrada con una frecuencia mayor o igual a 128 hertz.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 35
Esta frecuencia no debe ser múltiplo de 60 hertz.
12. Medida de la resistencia de puesta a tierra
La resistencia de puesta a tierra esta determinada por 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
TELURÓMETRO. 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. Existen telurómetros analógicos y digitales.
Método de la caída de tensión - Procedimiento
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 36
E
Puesta a tierra a medir
P C
Electrodo de potencial
Electrodo de corriente
d
0.618 d25 m
15 m
Figura 25: Medición de la puesta a tierra
Se coloca el electrodo de potencial a 25 metros del punto de puesta a tierra y
el electrodo a 40 metros del punto de puesta a tierra.
Se efectúa la medición y se anotara el valor.
Luego se acerca el electrodo de potencial 1 metro al electrodo de prueba, y se
vuelve a medir.
Se repite la operación pero esta vez se alejara 1 metro respecto a la medida
inicial
Si los dos nuevos valores son idénticos al inicial o la diferencia esta entre 0%
y el 3% respectivamente, la medida será la correcta.
Si las variaciones son mayores de las expresadas, se alejaran los electrodos y
se vuelve a medir. Colocaremos el electrodo de potencial a 50 metros del
electrodo de prueba y el electrodo de corriente lo colocamos a 80 metros del
electrodo de prueba, es decir se duplica las distancias iniciales y se aplica el
procedimiento anterior.
13. Características que debe cumplir un equipo de medida de resistividad y
de resistencia de la tierra
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 37
14.1. 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 interface para un PC.
Debe ser múltiplo 3, 4 terminales.
La lectura debe ser confiable.
14.2. Herramientas
Pico.
Barreta.
Pala de mango corto.
Pala de mango largo.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 38
Baldes de 4 litro y 12 litros respectivamente.
Soga de 10 metros cernidor para tierra fina.
Manguera de 13 mm x 15 metros de largo.
Tablón de madera 25 milímetros de espesor x 30 centímetros de ancho x 2
metros de largo.
Figura 26: Equipo de excavación
El personal que efectúe la medición debe ser altamente capacitado, debe conocer
las normas básicas de seguridad y conocer el manejo del telurómetro
14. Tierra de un sistema de distribución
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 39
Figura 27: Transformador trifásico en delta en el primario y en estrella en el secundario18
Como se puede observar aunque en el primario no existe neutro, ni conexión a
tierra, en el secundario se produce el neutro el cual se conectado al chasis y a la
tierra. En el caso anterior el neutro del sistema y la tierra están conectados entre
si.
18 Grupo Schneider. SPT significa Sistema de Puesta a Tierra
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 40
Conductores
Electrodo
Figura 28: Conexión de neutro a tierra en un poste
Figura 29: Diferentes sistemas de distribución
15. Mejoramiento de una tierra
Las tierras se pueden mejorar de diferentes formas:
Usando varillas de mayor diámetro.
Usando varillas más largas.
Tratando químicamente el terreno: Usando químicos tales como:
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 41
• 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 e calcio se usa como material de relleno ya sea solo o
mezclado con bentonita o con el suelo natural del 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 por metro (Ω x m).
o PH hidrosolta 35% de agua.
o No es ácido.
Procedimiento:
Se hace un pozo de 80 cm de profundidad y 80 cm de diámetro.
Se mezcla 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 sin golpear el electrodo.
Se repone el resto de terreno y se compacta.
Cuando la resistividad del terreno es menor de 60 ohmios por metro (Ω x m) solo
se requiere una varilla de 2.4 metros para una instalación residencial. Para
terrenos con resistividades mayores de 60 Ω x m se deben colocar dos varillas en
paralelo, a una distancia adecuada entre las ellas.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 42
TR L
ρ=L
Para resistividades superiores a 110 Ω x m se deben colocar mallas de puesta a
tierra con dos más varillas.
En la Tabla se muestra el valor de resistencia eléctrica al variar la cantidad de
barras utilizadas y la distancia entre ellas.
NUMERO DE
BARRASDistancia entre barras (m)
RESISTENCIA DE
PUESTA A TIERRA (Ω)
1 1 59.66
2 1.1523 34.77
3 1.3053 25.95
4 1.4139 21.08
5 1.4982 17.87
6 1.5670 15. 58
7 1.6252 13.85
8 1.6756 12.49
9 1.7201 11.40
10 1.7599 10.49
Analizando la tabla podemos observar que cuando se colocan mas barras en
paralelo a una distancia adecuada disminuye la resistencia de puesta a tierra,
aunque esta disminución no es lineal, es decir, si se tiene una resistencia R, al
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 43
colocar dos resistencias en paralelo la resistencia resultante no da la mitad de la
resistencia.
En la siguiente figura se muestran las diferentes configuraciones en caso de ser
necesario utilizar más de una varilla en el sistema de puesta a tierra.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 44
D
L L
D > L
Ahora se describirá paso a paso el procedimiento de instalación según lo visto
hasta el momento: Se hace un pozo de 80 centímetros de diámetro y 80
centímetros de profundidad
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.
Después 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.
A continuación se le deben vaciar unos 40 litros de agua a la mezcla
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 45
80 cm
80 cm
A continuación se procede a revolver la mezcla con el agua hasta que se forme
una pasta, teniendo cuidado de no golpear el electrodo.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 46
Por ultimo se repone el resto del suelo retirado, se compacta y se hace la caja de
inspección
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.
Si el material excavado es apropiado como relleno se debe cernir. El suelo debe
tener un PH entre 6.0 (ácido) y 10.0 alcalino.
La arcilla dura no debe ser material de relleno ya que se puede volver
impermeable al agua cuando se compacte y podría permanecer seca.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 47
16. Protección por fallas de aislamiento: Las corrientes de fuga a tierra en una
instalación son producidas por fallas de: aislamiento de los conductores
de la misma o de las uniones hechas en cajas de conexión a tomas
corrientes e interruptores o en empalmes dentro de ellas o directamente
en fallas de aparatos, dispositivos o maquinas conectados a la misma.
En el RETIE se establecen los requisitos que han de cumplir los equipos,
clasificándolos de acuerdo con su nivel de aislamiento, la tensión de alimentación
y el sistema de protección contra contactos eléctricos. Así, en relación con la
protección que deben ofrecer los receptores contra contactos eléctricos se
establece la siguiente clasificación:
Elementos para la conexión de puesta a tierra
Conexión a tierra temporal
16.1. Secuencia de operaciones para colocar una puesta a tierra y en
cortocircuito cuando se hace un mantenimiento
16.1.1 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 visualmente el 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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 48
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.
Figura 18. Pértiga.
16.2. 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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 49
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.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 50
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.
Cuando se va a proceder a desconectar, dicha desconexión se debe efectuar en
la instalación de alta tensión y, si la instalación lo permite, en el lado de baja
tensión (para evitar posibles retornos a través del secundario). En tal caso, la
desconexión debe empezar por la baja tensión.
Verificar la ausencia de tensión.
Poner a tierra y en cortocircuito el tramo de la instalación de alta tensión
comprendido entre los fusibles y el transformador, mediante el procedimiento
general ya descrito. Esta puesta a tierra y en cortocircuito también tiene por objeto
proteger de eventuales retornos a través de la instalación conectada al secundario
del transformador.
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 51
Figura 37: Colocación de la puesta a tierra y cortocircuito para reposición de fusibles19
“ EN INSTALACIONES QUE FORMEN PARTE DE UN LAZO ES NECESARIO
DESCONECTAR EN LOS DISTINTOS LADOS. ”
Figura 38: Aislamiento de la zona de trabajo20
No se consideran como fuentes de alimentación, susceptibles de la maniobra de
desconexión propiamente dicha, las fuentes de tensión que puedan actuar de
manera fortuita sobre la instalación considerada, como es el caso de las tensiones
inducidas.
19 http://www.mtas.es/insht/index.htm 20 http://www.mtas.es/insht/index.htm
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 52
Figura 39: Puntos en los que deben colocarse las puestas a tierra y en cortocircuito 21
No debe olvidarse que todos los elementos metálicos o conductores propios de la
instalación existentes dentro de la zona de trabajo deben estar conectados
también a tierra y unidos eléctricamente entre sí. Esta conexión equipotencial
evitará la aparición de diferencias de potencial peligrosas entre ellos en caso de
una puesta en tensión imprevista de la instalación.
Con el fin de incrementar las garantías de seguridad se establece que al menos
una de las puestas a tierra y en cortocircuito, situadas en los extremos de la zona
de trabajo, sea visible desde cualquier punto de la misma, es decir, el trabajador
que se mueva dentro de la zona de trabajo debe tener siempre a la vista al menos
una de las puestas a tierra. Esto garantiza también una eliminación eficaz de
posibles tensiones inducidas cuando se trabaja en tramos muy largos de una
línea, por ejemplo, durante los trabajos de tendido de una nueva línea.
21 http://www.mtas.es/insht/index.htm
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 53
Figura 40: Puntos en los que deben colocarse las puestas a tierra y en cortocircuito 22
El equipo de puesta a tierra debe estar dimensionado para soportar la corriente de
cortocircuito, en caso de falla, durante el tiempo que tarden en actuar los
dispositivos automáticos de protección.
La toma de tierra debe tener una resistencia baja para garantizar que no se
produzcan tensiones de paso o de contacto peligrosas durante el tiempo que
tarden en actuar los correspondientes dispositivos de protección.
22 http://www.mtas.es/insht/index.htm
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 54
Figura 41: Disposición de las puestas a tierra cuando el trabajo se realice en un solo conductor 23
23 http://www.mtas.es/insht/index.htm
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 55
17. Glosario.
Contacto directo: es aquél que se establece entre un individuo y un elemento
que habitualmente está tensionado. Líneas, barras, seccionadores, etc. Cabe aquí
aclarar que si la persona está aislada de otros potenciales, por ejemplo de tierra,
el hecho de estar a potencial no implica un accidente; para que esto ocurra, tendrá
que tener aplicada una diferencia de potencial.
Contacto indirecto: es aquél que se establece entre un individuo y un elemento
que no está habitualmente tensionado (carcaza de un motor, cuba de un
transformador, palanca de mando de un seccionador, línea desenergizada y
puesta a tierra, heladera, lavarropa, etc.). También constituye un contacto
indirecto, la diferencia de tensión que puede aparecer entre dos puntos del
terreno, denominada tensión de paso, y que definiré más abajo.
Electrodos de puesta a tierra: es el elemento de la instalación dedicado a alguna
de las siguientes funciones, o a todas simultáneamente:
Tierra de servicio: destinada a dar un potencial de referencia a las partes
activas. Se conectan a esta los neutros de generadores y transformadores,
neutros artificiales, etc.
Tierra de protección: destinada a conectar a tierra las partes metálicas no
activas de la instalación. Carcazas, bastidores, gabinetes, cubas, etc.
Tierra de pararrayos: destinada a dispersar las corrientes originadas por
sobretensiones de origen atmosférico o internas. A esta se conectan los
descargadores de sobretensión, los pararrayos e hilos de guardia.
Curvas equipotencial: al dispersar un electrodo una corriente en el terreno,
lo hará encontrando una resistencia a su paso, cada vez menor a medida que nos
alejamos del electrodo, ya que va aumentando la superficie que tiene que
atravesar la corriente al ir abarcando volúmenes de terreno cada vez mayores. Así
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 56
irá cayendo gradualmente la tensión en el terreno, donde uniendo los puntos de
igual tensión se forman curvas equipotenciales.
Gradiente de tensión: Si tomamos un corte del terreno que pase por el
electrodo en cuestión, y representamos verticalmente en cada punto el valor de
tensión que le corresponde, formaremos una curva de la distribución de potencial
en el terreno. Se denomina gradiente de tensión a la recta de máxima pendiente
en dicha curva. También se denomina con ese nombre a la diferencia de potencial
que aparece en el terreno, al dar el primer paso de salida de una malla de puesta
a tierra.
Tensión de paso: es la máxima tensión que puede aparecer entre los pies de
una persona, separados un metro, al circular la máxima corriente de falla a tierra
desde un electrodo.
18. Bibliografía
Compañía Nacional de Fuerza y Luz – CNFL www. cnfl .go.cr/800-
energia/descargas/REQUISITOS.pdf (Consultada el 12 de noviembre de 2005)
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 57
Grupo Schneider – “La seguridad eléctrica en las instalaciones industriales”
Presentación, por Ing. Héctor Eduardo Graffe.
Reglamento técnico de instalaciones eléctricas – RETIE
Medición de la resistividad del terreno – Norma técnica IEEE 80
Gráficos y documentos sobre seguridad. http://siri.uvm.edu/graphics/
(Consultada el 26 de enero de 2006)
Curso de seguridad - http://endrino.cnice.mecd.es/~jhem0027 (consultada el
26 de enero de 2006)
Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, España. Guía técnica
para la evaluación y prevención del riesgo eléctrico.
http://www.mtas.es/insht/index.htm
Tema 4: Sistemas de puesta a tierra Pág. 58
