Instalaciones de Puesta a Tierra Bibliografía: Las Puestas a Tierra en los Sistemas Eléctricos Aldo Luis Caballero Instalaciones Eléctricas Günther G. Seip Instalaciones de puesta a tierra Vittorio Re Se llama Puesta a Tierra (PT) a toda unión eléctrica entre una instalación, o una parte de ella, y la tierra. En general, las PT están conformadas por tres partes claramente diferenciables, a saber: la tierra propiamente dicha, que no es más que el terreno en el cual se halla enterrado el dispersor. El que puede estar constituido por uno o más electrodos eléctricamente unidos entre sí mediante conductores y puestos en contacto íntimo con el suelo. El conductor de tierra materializa la conexión entre el dispersor y la parte de la instalación que debe estar puesta a tierra. En la figura siguiente se esquematiza lo previamente descripto.

La función de las PT en una instalación eléctrica consiste en derivar hacia el terreno las intensidades de corriente, de cualquier naturaleza, ya sean corrientes de falla de frecuencia industrial o corrientes impulsivas debidas a descargas atmosféricas. Mediante esta acción se pretende, idealmente, eliminar las diferencias de potencial respecto de tierra que pudieran aparecer en las partes de la instalación comprometidas y sus estructuras asociadas. En realidad no es posible lograr que las aludidas diferencias de potencial sean efectivamente nulas, sin embargo, aun frente a esta dificultad se trata de lograr distribuciones de potencial tales que garanticen seguridad para las personas, seguridad para los animales, protección de los equipos, buena calidad del servicio. Funciones de las instalaciones Es tan grande la masa del globo terráqueo que su potencial se mantiene prácticamente invariable cualquiera que sea la entidad de las cargas que se le apliquen. En esta característica se basa el principio de la puesta a tierra.

Según sean los fines que se pretenda alcanzar se dispone de los tipos de puesta a tierra indicados a continuación.

Puesta a tierra para protección Significa drenar hacia tierra las corrientes de defecto peligrosas para la integridad física de las personas. Puesta a tierra para la ejecución de trabajos Es una puesta a tierra de carácter provisional. Sirve para garantizar la integridad física de aquellos que operan sobre elementos que normalmente se hallan bajo tensión (por ejemplo, líneas eléctricas aéreas) pero que temporalmente están fuera de servicio. Puesta a tierra de funcionamiento Se refiere al mantenimiento de una parte de un circuito a potencial de tierra. Caen dentro de este apartado la puesta a tierra del conductor de neutro de las redes de distribución de energía eléctrica, la conexión a tierra de las vías del ferrocarril y tranvía en aquellos casos en que éstas constituyen un conductor activo de la red de distribución. Se puede clasificar también a las puestas a tierra de acuerdo a las funciones de: Fijar potenciales Dispersar corrientes Con respecto a este último punto también se pueden clasificar las puestas a tierra en función de la naturaleza de las corrientes que deben dispersar, esto es corrientes de frecuencia industrial y corrientes de tipo impulsivo como las producidas por descargas atmosféricas. Puesta a tierra para protección La puesta a tierra se debe extender a todos los receptores y masas metálicas accesibles. A título de ejemplo, se puede citar que en las instalaciones en edificios destinados al uso como viviendas, colegios, hoteles, oficinas, hospitales, construcciones rurales, etc., la toma de tierra se relaciona con la envoltura de los aparatos receptores (lavadoras, lavavajillas, refrigeradores, etc.) y con las masas metálicas (grifería, bañeras, cocinas, lámparas, etc.). En dichas partes puede aparecer tensión como consecuencia de una avería o falla. Respecto a las centrales generadoras, o a las instalaciones contenidas en el término genérico de "industriales", la puesta a tierra se relaciona con las carcasas de las máquinas eléctricas rotativas (generadores y motores), las cubas de los transformadores, las envolturas metálicas de los aparatos de mando (interruptores), los soportes de base de los seccionadores y descargadores, las estructuras y los resguardos de protección de las estaciones y cabinas de transformación, las torres para líneas eléctricas de alta tensión, etc. Las razones por las que dichas partes deben ser puestas a tierra son las mismas que en el caso anterior. La puesta a tierra concierne, finalmente, a la protección de los edificios contra las descargas atmosféricas.

Resistencia e impedancia de dispersión De acuerdo a lo visto una de las funciones de las PT es conducir hacia la tierra toda corriente de falla sin que esto genere una elevación de potencial de las partes asociadas a esta PT. Por lo cual se debe buscar valores lo mas bajo posibles de la impedancia de puesta a tierra. Según se trate de corrientes de frecuencia industrial o corrientes impulsivas la parte resistiva y la parte inductiva de la impedancia de puesta a tierra adoptan importancias relativas diferentes. Para resolver matemáticamente la cuestión de la dispersión de la corriente eléctrica en el suelo a través de un dispersor, se deben conocer perfectamente la variación tanto de la permitividad dieléctrica y de la resistividad de los suelos. Como una primera aproximación se puede admitir como suelo homogéneo para lo cual se puede afirmar que la resistencia de dispersión de un de una PT depende de: Es importante reconocer que no se ha tomado en cuenta ninguna resistencia de transición o contacto entre electrodo y tierra y con la hipótesis de un medio totalmente homogéneo. Es decir que la forma del electrodo decide el valor de la resistencia a partir de de que su geometría es determinante de su capacitancia Cd. Lo s fenómenos inductivos en los electrodos se manifiestan a través de una elevación de su tensión Vld, la cual es directamente proporcional a la inducción del dispersor Ld y a la variación temporal de la intensidad de corriente po la que es recorrido Vld = Ld.di/dt A partir de esto puede afirmarse que, si la corriente dispersada es del tipo impulsivo, tendrá una forma de onda de frente escarpado y la derivada tomará valores relativamente grandes. Con lo que también Vld alcanzará valores significativos, los que sumados a la elevación de potencial debida a la resistencia de dispersión Vrd darán la tensión resultante del dispersor. Como conclusión de esto puede verse que la respuesta de las PT será tanto mejor cuando la forma de los electrodos utilizados y su disposición en el terreno sean tales que den por resultado las mínimas resistencias e inductancias de dispersión. Tratándose de corrientes impulsivas cobran importancia los fenómenos inductivos, además de los resistivos, mientras que para corrientes de frecuencia industrial solamente estos últimos son apreciables. En el punto anterior se ha estudiado el fenómeno de dispersión, para ello debieron realizarse algunas abstracciones acerca de la región de transición entre electrodos y tierra, suponiendo que no existe resistencia de contacto. También se asumió directamente por hipótesis que el conductor de tierra y los electrodos eran conductores perfectos. Ello ha posibilitado definir los conceptos de resistencia e impedancia de dispersión, los cuales son importantes porque constituyen elementos que permiten extraer algunas conclusiones acerca de la influencia de la forma de los dispersores en el comportamiento de las PT. Sin embargo, la impedancia de dispersión no es la única presente en la puesta a tierra. Las PT comienzan en el mismo punto en que se efectúa la toma de tierra de la instalación. Por lo tanto, la resistencia total de puesta a tierra RPT, en rigor, estará conformada por la resistencia del conductor de tierra Rco, la del dispersor Rdi, la de contacto entre ambos Rcodi y la de contacto entre electrodos y tierra Rc, denominada simplemente resistencia de contacto,

y la de dispersión Rd. RPT= Rco+Rcodi+Rdi+Rc+Rd El conductor de tierra y los electrodos se confeccionan con materiales metálicos de muy buena conductividad y con la sección adecuada para garantizar que su resistencia sea despreciable. La unión entre ellos se realiza de forma tal de minimizar o eliminar la resistencia de contacto entre ambos. Es decir que los tres primeros términos del segundo miembro en la expresión precedente son prácticamente despreciables. Con esto puede escribirse: RPT=Rd+Rc La determinación de la resistencia de contacto entre electrodo y tierra depende de variables muy complejas de cuantificar, como son la granulometría del terreno y la compactación del mismo. Si bien es una premisa claramente definida tratar que ella sea despreciable y la instalación de los electrodos se realiza buscando su íntima unión con el suelo, no puede garantizarse que ello siempre se logre. Por tanto, no puede afirmarse que Rc sea siempre despreciable. De todos modos, en una PT bien realizada, la resistencia de contacto, si no es despreciable, representará un porcentaje pequeño de RPT por lo tanto será: RPT  Rd Se ha visto ya al estudiar la dispersión de corrientes en tierra que los electrodos de tierra presentan una capacitancia de dispersión Ci, por lo cual aparecerán también fenómenos reactivos capacitivos asociados a las puestas a tierra. En lo que hace a la parte inductiva de la impedancia total de tierra LPT, además de la inductancia de dispersión Ld debe, lógicamente, tenerse en cuenta la correspondiente al conductor de tierra Lco. LPT = Lco+Ld Para hacer mínima su inductancia el conductor de tierra debe ser de la menor longitud posible y, en su recorrido, deben evitarse las curvas bruscas o la formación de bucles.

Por presentar las PT una cierta impedancia, al derivarse por ellas corriente eléctrica, sufrirán una elevación de su potencial, dando lugar a una determinada distribución de tensiones en su entorno. Particularmente resulta de interés la forma que adopta la distribución de tensiones Vs en la superficie del terreno, ya que sobre ella transitan las personas y se ubican los equipos que forman parte de la instalación y están conectados a tierra. En la figura siguiente se puede ver la variación del potencial de la superficie de la tierra y de las tensiones que pueden aparecer en caso de circular corriente por la toma de tierra. La máxima diferencia de potencial se da por la siguiente relación: Vsmáx = I.RPT

Conceptos para dimensionamiento y evaluación de sistemas de puesta a tierra (VDE 0141 – 0100): Tensión de puesta a tierra UE es la que se establece entre un sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia. Potencial de la superficie de tierra  es la tensión existente entre un punto de la superficie de la tierra y la tierra de referencia. Tensión de contacto UB es aquella parte de la tensión de puesta a tierra, que puede ser puenteada por una persona circulando la corriente a través del cuerpo humano desde la mano hasta el pie (distancia horizontal a la pieza que se toca aproximadamente 1 m) o de una mano a otra. Tensión de contacto (Vc): es la diferencia de potencial a la que queda sometida una persona situada en la región del terreno influenciada por una puesta a tierra y que toma contacto con alguna parte conductora de la instalación conectada a tierra.

Tensión de paso US es aquella parte de la tensión de puesta a tierra, que puede ser puenteada por una persona dando un paso de 1 m de longitud, circulando la corriente a través del cuerpo humano desde un pie al otro pie. Graduación de potencial es la modificación del potencial de tierra, en especial, del potencial de la superficie de la tierra, mediante electrodos de graduación de potencial Sí, S2, S3. Contacto a tierra es la unión conductora que se establece entre un conductor del circuito operativo y tierra o una pieza puesta a tierra, debido a un defecto. La unión conductora puede establecerse también a través de un arco eléctrico. Si se establece un contacto a tierra en 2 o más conductores de la misma red en puntos separados espacialmente, el fenómeno se denomina contacto a tierra doble o múltiple. En redes con puesta a tierra del punto estrella de baja resistencia, el contacto a tierra se denomina cortocircuito a tierra. Puesta a tierra de protección contra rayos es la puesta a tierra de una pieza conductora no perteneciente al circuito operativo, para evitar descargas a los conductores sometidos a tensión durante el servicio, en caso de incidencia de rayos (descargas inversas). Instalación de puesta a tierra es la totalidad de las tomas de tierra conectadas entre si o de piezas metálicas sirviendo para la misma finalidad (por ejemplo, bases de torres, armaduras, envolventes metálicas de cables>, situadas en un área definida, y líneas de puesta a tierra. Línea de puesta a tierra es aquélla que une una parte de la instalación con un electrodo de puesta a tierra, siempre que la línea se tienda fuera de tierra o aislada con respecto a tierra. Línea colectora de puesta a tierra es aquélla a la que se conectan varias líneas de puesta a tierra. Los siguientes tipos de tomas de tierra encuentran aplicación en la práctica:

Toma de tierra superficiales un electrodo enterrado, por lo general, a una profundidad escasa de hasta 1 m aproximadamente. Puede estar hecho, por ejemplo, a partir de material de banda, redondo o cable y estar configurado formando una toma de tierra radial, anular o enmallada o como combinación de éstas. Toma de tierra en profundidad es un electrodo enterrado, por lo general, verticalmente a gran profundidad. Puede ser, por ejemplo, de tubo, material redondo o de algún otro perfil. Toma de tierra natural es una pieza metálica unida a tierra o en contacto con agua directamente o a través de hormigón, cuya finalidad original no era la de una puesta a tierra, pero que puede utilizarse como tal. Toma de tierra de graduación es un electrodo, que por su forma y disposición, sirve más para graduar el potencial que para lograr una determinada resistencia de propagación. Resistencia especifica de tierra E es la resistencia especifica eléctrica de la tierra Se indica casi siempre en m2/m =  m y representa la resistencia de un cubo de tierra de 1 m de arista entre dos superficies opuestas. Resistencia de propagación RA de una toma de tierra es la resistencia de la tierra entre la toma de tierra y la tierra de referencia. Tierra de referencia (tierra neutra) es la zona de tierra, en especial, de la superficie de la tierra, en el exterior del área de influencia de una toma de tierra o de una instalación de puesta a tierra, en la cual, entre dos puntos arbitrarios, no se establecen tensiones apreciables debidas a la corriente de puesta a tierra. Estimación de los potenciales de superficie y de la resistencia de dispersión En teoría y en términos generales, en una puesta a tierra bien realizada, el componente principal de la resistencia de puesta a tierra es la denominada resistencia de dispersión. La cual es función de la capacitancia en el vacío del dispersor y de la resistividad del terreno en la zona en que el mismo está instalado. La capacitancia en el vacío depende exclusivamente de la forma y dimensiones del dispersor; por lo tanto, el lograr un valor adecuado de resistencia de puesta a tierra depende en gran medida de proyectar adecuadamente el sistema de dispersión en cuanto a forma, tamaño, cantidad y disposición de los electrodos que lo conforman. En todos los casos se habla de estimación de la resistencia de dispersión y no de cálculo de la resistencia de puesta a tierra que, en definitiva, es un valor más significativo. Esto obedece a que, debido a la intervención de diversos factores no siempre evaluables con certeza, para efectuar la formulación matemática del problema y encontrar una solución de aplicabilidad práctica, deben asumirse hipótesis simplificativas las que son válidas a electos de la realización de estimaciones orientativas para el proyecto, pero que no permiten conocer con exactitud los valores finales. De todas maneras, con esta salvedad, los métodos de estimación que se exponen, utilizados criteriosamente, constituyen una importante herramienta para el proyectista.

Jabalinas Es el tipo más común de electrodo de tierra. Consiste básicamente en una varilla metálica con forma de lanza. Existen algunas variantes en cuanto a su forma, pero es muy frecuente que se construyan comercialmente de sección transversal circular con alma de acero y un recubrimiento de cobre. Las jabalinas de estas características también se fabrican en tramos acoplables que permiten lograr mayores longitudes. Otras veces se construyen en acero cincado y con sección en forma de cruz. También es frecuente utilizar perfiles «L» a manera de jabalinas. Elevación total del electrodo es:

Tensión de paso máxima:

Resistencia de Dispersión:

Múltiples Jabalinas Cuando la resistividad del suelo es relativamente alta, lograr una resistencia baja de puesta a tierra con un solo electrodo tipo jabalina, puede requerir una longitud del dispersor que resulte técnicamente inapropiada. En esos casos puede recurrirse a la utilización de más de un dispersor.Así por ejemplo, si se utilizan das jabalinas idénticas, la intensidad de corriente total dispersada I se repartirá por igual entre ambos electrodos. Esto, a la vez, representará una distribución del potencial que mostrará picos menos pronunciados y gradientes más suaves. Se tendrá, en consecuencia, no solamente una menor resistencia de dispersión, sino también tensiones de paso, contacto y transferencia menores. Para determinar la curva a la cual responde la característica de distribución de potenciales en la superficie del terreno puede aplicarse el principio de superposición de efectos. Esto es, representar las curvas correspondientes a cada jabalina dispersando la intensidad I/2 como si la otra no existiese (línea de trazos) y, luego, realizar la suma de ambas (línea llena). Del mismo modo, para hallar una expresión analítica de esta distribución de potenciales, pueden sumarse las expresiones correspondientes a cada jabalina. Contrapesos El uso de jabalinas es factible cuando se trata de ejecutar una puesta a tierra en terrenos en los que es posible su hincado a cierta profundidad. Cuándo por la presencia de un manto de rocas a poca profundidad no es posible la utilización de jabalinas, puede recurrirse al uso de conductores extendidos horizontalmente y enterrados a escasa profundidad. Para la geometría de electrodo tipo jabalina cilíndrica, la distribución de potenciales en la superficie del terreno es una superficie de revolución con eje coincidente con el eje del dispersor. Entonces es fácilmente visualizable mediante su representación bidimensional

Vjx = f(x). Para los contrapesos, en cambio, la variación de los potenciales de superficie responderá a una función de dos variables independientes Vcxy = fc(x,y); por lo tanto para su estudio, si bien puede emplearse la misma metodología que la utilizada para jabalinas, habrá que considerar dos ejes de referencia en el terreno. Mallas Las mallas o parrillas se utilizan generalmente asociadas con jabalinas. La función principal de las mallas es la de suavizar la distribución de potenciales de superficie; también actúan corno dispersores de corrientes de frecuencia industrial, aunque su comportamiento frente a ondas de frente escarpado no es muy bueno.