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INTRODUCCIÓN Apreciados aprendices de las Instituciones Educativas la presente es un material de fundamentación teórica de SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA, se hace necesario para seguir enriqueciendo el proceso, llevado hasta el momento, contar con su disposición, responsabilidad y honestidad en el aprovechamiento del material que se plantea a continuación.

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

1. TÉRMINOS EMPLEADOS EN EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Sistema de Puesta a Tierra (SPT) (Grounding System): Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno. Comprende la puesta a tierra y todos los elementos puestos a tierra. Suelo: Sistema natural, resultado de procesos físicos, químicos y biológicos, con componentes principalmente minerales y sólidos inertes que le dan estabilidad, en conjunto con líquidos y gases que definen su comportamiento eléctrico. Electrodo de Puesta a Tierra (Grounding Electrode): Conductor en íntimo contacto con el suelo, para proporcionar una conexión eléctrica con el terreno. Puede ser una varilla, tubo, placa, cinta, o cable. Puesta a tierra (Grounding): Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuyen las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende: Electrodos, conexiones y cables enterrados. También se le conoce como toma de tierra o conexión a tierra.

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Puesto a Tierra (Grounded): Toda conexión intencional o accidental del sistema eléctrico con un elemento considerado como una puesta a tierra. Se aplica a todo equipo o parte de una instalación eléctrica (neutro, centro de estrella de transformadores o generadores, carcazas, incluso una fase para sistemas en delta, entre otros), que posee una conexión intencional o accidental con un elemento considerado como puesta a tierra. Tierra (Ground o Earth): Para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcaza, armazón, estructura o tubería de agua. El término “masa” solo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos, los carros y otros. Conductor del Electrodo de Puesta Tierra (Grounding Electrode Conductor): Conductor que es intencionalmente conectado a una puesta a tierra, sólidamente para distribuir la tierra a diferentes sitios de una instalación. Resistividad del Suelo: Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (Ohm-m) o (Ohm-cm), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica (ρ): Es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuestas. Resistividad Aparente: Es la resistividad obtenida con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geométrico especificado por el método de cuatro (4) electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial, sólo es representativo para un punto de la característica del suelo estratificado. Resistencia Mutua de Electrodos: Fenómeno resistivo que aparece entre electrodos de puesta a tierra o puntos próximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a través de uno de ellos, modifica el potencial del otro. Su unidad es el (Ohm). Potencial Eléctrico: Es la diferencia de voltaje entre un punto y alguna superficie equipotencial que generalmente es la superficie del suelo, la cual es seleccionada arbitrariamente como de potencial cero o tierra remota. Un punto el cual tiene un potencial más alto que el cero se llama potencial positivo y en caso contrario potencial negativo. Tierra Remota: También denominada Tierra de Referencia, es el lugar o la zona de mínima resistencia, más próxima del suelo subyacente a una instalación eléctrica o a una puesta a tierra, respecto de las cuales se le atribuye por convención el Potencial cero. Acero inoxidable martensítico. Aceros al cromo (11.5% a 18%) con alto contenido de carbón (0.15% a 1.2%). Presentan elevada dureza y resistencia mecánica, se endurecen por tratamiento térmico y son magnéticos.

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2. PUESTAS A TIERRA Toda instalación eléctrica cubierta por el presente Reglamento, excepto donde se indique expresamente lo contrario, debe disponer de un Sistema de Puesta a Tierra (SPT), de tal forma que cualquier punto del interior o exterior, normalmente accesible a personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidos a tensiones de paso, de contacto o transferidas, que superen los umbrales de soportabilidad del ser humano cuando se presente una falla. Los objetivos de un sistema de puesta a tierra (SPT) son:  La seguridad de las personas.  La protección de las instalaciones.  La compatibilidad electromagnética. Las funciones de un sistema de puesta a tierra son:  Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.  Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.  Servir de referencia común al sistema eléctrico.  Conducir y disipar con suficiente capacidad las corrientes de falla, electrostática y de rayo.  Transmitir señales de RF en onda media y larga.  Realizar una conexión de baja resistencia con la tierra y con puntos de referencia de los equipos. 2.1. REQUISITOS BÁSICOS DE UNA PUESTA A TIERRA Los requisitos principales de una puesta a tierra se pueden resumir en lo siguiente:  Permitir la conducción a tierra de cargas estáticas o descargas atmosféricas.  Garantizar a niveles seguros los valores de la tensión a tierra de equipos o estructuras accidentalmente energizados y mantener en valores determinados la tensión fase tierra de sistemas eléctricos, fijando los niveles de aislamiento.  Permitir a los equipos de protección aislar rápidamente las fallas. 2.2 CONSTITUCIÓN DE UNA PUESTA A TIERRA La resistencia ofrecida al paso de la corriente eléctrica a través de un electrodo hacia el suelo tiene tres componentes principales (ver figura 1):  Resistencia del electrodo (metal): La cual es despreciable en comparación con el ítem 3.  Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo. Se puede despreciar si el electrodo está exento de cualquier cubierta aislante como tintas, pinturas, grasa, etc.; y si la tierra está bien compactada en la zona de contacto de sus paredes.  Resistencia de la tierra circundante: ésta es realmente la componente que influye en el valor de la resistencia de una puesta a tierra y depende básicamente de la resistividad del suelo y de la distribución de la corriente proveniente del electrodo.

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Figura 1. Constitución de una Puesta a Tierra

Tipo de emplazamiento de una puesta a tierra

2.3 TOPOLOGÍAS DE PUESTAS A TIERRA De acuerdo con las dimensiones de terreno disponible para la ejecución de una puesta a tierra, se usan los siguientes tipos de elementos para su construcción: 

Electrodos verticales (Barras):

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Conductores horizontales:

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Malla o reticulado:

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A continuación las topologías más comunes: 

Pata de Ganso: Puesta a tierra formada por conductores dispuestos en forma de pata de ganso de grandes dimensiones y a menos de 50 cm. de profundidad.

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

Triangulo: Puesta a tierra formada por muchas piquetas verticales a una longitud total mínima de 6 metros. (Dispuestas en línea o triángulo y espaciadas entre sí por una distancia al menos igual a su longitud enterrada; Unidas entre sí por un conductor enterrado en una zanja al menos de 50 cm. de profundidad).



Placa: La puesta a tierra de placa es eficaz en terrenos rocosos y de alta resistividad, dado que ofrece una amplia superficie de contacto con el terreno. Para obtener buenos resultados, la placa debe enterrarse verticalmente, a una profundidad adecuada y garantizar una correcta compactación del terreno y las sales minerales.

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2.4 MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA  Método de caída de potencial: La resistencia de puesta a tierra debe ser medida antes de la puesta en funcionamiento de un sistema eléctrico, como parte de la rutina de mantenimiento o excepcionalmente como parte de la verificación de un sistema de puesta a tierra. Para su medición se debe aplicar el método de Caída de Potencial, cuya disposición de montaje para medición se muestra en la siguiente figura.

 Medida de resistencia de puesta a tierra sobre pavimentos o suelos de concreto: Algunas veces el sistema de puesta a tierra se encuentra rodeado de suelos cubiertos por pavimentos, concreto o cemento y en los cuales no es fácil la colocación de los electrodos de prueba tipo varilla. En tales casos pueden usarse placas de cobre para reemplazar los electrodos auxiliares y agua para remojar el punto y disminuir la resistencia de contacto con el suelo, como se ilustra en la siguiente figura:

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 Medida de la RPT mediante medidor tipo pinza: Este es un método práctico que viene siendo ampliamente usado para medir la puesta a tierra en sitios donde es imposible usar el método convencional de caída de potencial, como es el caso de lugares densamente poblados, celdas subterráneas, centros de grandes ciudades, etc. El medidor tipo pinza mide la resistencia de puesta a tierra de una varilla o sistema de puesta a tierra simplemente abrazando el conductor de puesta a tierra o bajante como lo ilustra la siguiente figura

2.5 EQUIPO EMPLEADO PARA LA MEDICIÓN DE SISTEMAS DE PUESTA ATIERRA 

Telurómetro: miden la resistencia de puesta a tierra y la resistividad por el método de Wenner. El instrumento puede medir resistencia y resistividad con 2, 3 ó 4 electrodos. 

Telurómero analógico: La forma y procedimiento para medir la resistencia del pozo es la misma la única diferencia es que el valor obtenido lo marcará la aguja y este dependerá de la escala que se esté utilizando.

Marca: TAE KWANG Modelo: TKE-1030

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Telurómetro digital: Son lo que actualmente son mayormente utilizados y su utilización es más precisa al arrojarnos un único valor en el display eliminándose así los errores de medición por paralelaje. ¿Para qué nos sirve averiguar conocer la resistencia del pozo a tierra? Para mantener la seguridad de las personas que trabajen o estén en contacto con las instalaciones, se hace necesario un sistema de puesta a tierra así como mantener en condiciones óptimas de operación los distintos equipos de la red eléctrica. Las distintas medidas que se hacen de la puesta a tierra y de la resistividad del terreno tienen por objeto garantizar ésta seguridad, no sólo en condiciones normales de funcionamiento, sino también ante cualquier circunstancia que anule el aislamiento de las líneas. Existen dos parámetros importantes a la hora de diseñar o efectuar el mantenimiento de un sistema de puesta a tierra: la resistencia de puesta a tierra (medida en ohmios) y la resistividad del terreno (medida en ohmios metro).



Funcionamiento como voltímetro: En la función voltímetro, el equipo opera como voltímetro convencional de C.A. y permite verificar la presencia y medir las tensiones generadas por las corrientes parásitas.

Se colocará la de tensión a 25 m del punto de puesta a tierra (seccionamiento) y la de corriente a 15 m adicionales (es decir a 40 m del punto de puesta a tierra). Se efectuará la medición y se anotará el valor. Una vez obtenido este valor, se acerca la sonda de tensión 1 m respecto al punto anterior y se vuelve a medir. Se repite la operación anterior pero esta vez alejándose 1 m respecto al punto anterior y se vuelve a medir. Si los dos nuevos valores son idénticos al inicial, o la diferencia es menos de (-3 %) o (+3 %) respectivamente, la medición se dará por correcta, puesto que estaríamos en zona lineal y se

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anotará en el informe del instalador como valor de resistencia de tierra (también se anotará la distancia de la sonda de tensión, en este caso 25 m). Si las variaciones son mayores de las expresadas, alejaremos más ambas sondas. Así colocaremos la de tensión a 50 m y la de corriente a 30 m adicionales (es decir a 80 m del punto de puesta a tierra). Como puede verse las distancias son el doble que las anteriores. Como en el caso anterior se tomará la medición en este punto y las correspondientes al movimiento de alejamiento y acercamiento de la sonda de tensión de 1 m. Si por los valores obtenidos vemos que ya estamos en zona lineal daremos la medición por correcta. Si no es así colocaremos los testigos a 75 m y 45 m (120 m) respectivamente y repetiremos el procedimiento. 2.6 RESISTIVIDAD DE SUELOS Se sabe por física elemental que la resistencia R de un conductor alargado y homogéneo de forma cilíndrica vale: R = ρ l/s Dónde: : R = resistencia en Ω ρ = resistividad en (Ω-metro) l = longitud del conductor en metros m s = sección en metros cuadrados La resistividad es una medida de la dificultad que la corriente eléctrica encuentra a su paso en un material determinado, pero igualmente se considera la facilidad de paso, resultando así el concepto de, Conductividad, que expresado numéricamente es inverso a la resistividad y se expresa en siemens-metro. Suponiendo que el subsuelo se compone de varias zonas, dentro de cada una de las cuales la resistividad suponemos constantes separadas entre sí por superficies límite perfectamente planas. A pesar de esta simplificación, el problema es matemáticamente muy difícil y solo ha sido resuelto en casos muy sencillos. A continuación la tabla de tipos de suelos con sus respectivas resistividades.

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Influencia de la Humedad: La resistividad del suelo sufre alteraciones con la humedad. Esta variación ocurre en virtud de la activación de cargas eléctricas predominantemente iónicas por acción de la humedad, un porcentaje mayor de humedad hace que las sales presentes en el suelo o adicionadas a propósito se disuelvan formando un medio electrolítico favorable al paso de la corriente iónica.

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Compactación: La compactación de un suelo a condiciones naturales, es la atracción que ejerce la gravedad con toda materia existente, habiéndose logrado una agregación de materiales a través del tiempo en forma intima entre ellos, quedando por lo tanto pocos espacios sin ocupar.

 Métodos para la Reducción de la Resistencia Eléctrica Existen distintos métodos para lograr la reducción de la resistencia eléctrica, aunque todos ellos presentan un punto de saturación que es conveniente conocer para evitar diseños antieconómicos. Los métodos para la reducción son los siguientes: - El aumento del número de electrodos en paralelo. - El aumento de la distancia entre ejes de los electrodos. - El aumento de la longitud de los electrodos. - El aumento del diámetro de los electrodos. - El cambio del terreno existente por otro de menor resistividad. - El tratamiento químico electrolítico del terreno.  Tipos de Tratamiento Químico Existen diversos tipos de tratamiento químico para reducir la resistencia de un SPAT los más usuales son: 

Cloruro de Sodio + Carbón Vegetal: El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera muy conductiva que se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación, capilaridad y evapotranspiración; la solución salina tiene una elevada actividad corrosiva con el electrodo, reduciendo ostensiblemente su tiempo de vida útil, la actividad corrosiva se acentúa si el electrodo es de hierro cobreado (copperweld).

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Bentonita: Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales arcillosas que no tienen composición mineralógica definida, se clasifica en dos grupos: Bentonita Sódica y Bentonita Cálcica.

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THOR-GEL®: Es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus 2 componentes. El tratamiento consiste en incorporar al pozo los electrolitos que aglutinados bajo la forma de un Gel mejore la conductividad de la tierra y retenga la humedad en el pozo por un periodo prolongado de manera que se garantice una efectiva reducción de la resistencia eléctrica y una estabilidad que no se vea afectada por las variaciones del clima. La cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del SPAT, varía de 1 a 3*, y está en función a la resistividad natural del terreno.

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