El vertiginoso desarrollo de la electricidad y la electrónica han generado como consecuencia la necesidad de proteger todos los sistemas eléctricos y electrónicos contra fenómenos naturales como lo son las descargas eléctricas (rayo) o los creados por el hombre, los cortos circuitos [6].
La instalación de un “Sistema de Puesta a Tierra”, requiere de un minucioso estudio, el
cual comprende los métodos de su diseño, las condiciones geológicas y meteorológicas del sitio; pero sobre todo el respaldo técnico y científico de la actualidad, esto complementado con las guías y recomendaciones prácticas de normas vigentes emitidas por instituciones con credibilidad y trayectorias reconocidas [6].
3.1 Sistema de puesta a tierra.
Se puede decir que un sistema de puesta a tierra es el aterrizamiento físico o la conexión de un equipo a través de un conductor hacia tierra; en tanto se sabe que la tierra está compuesta por diversos materiales, los cuales pueden ser buenos o malos conductores esto dependerá del tipo de suelo, al potencial de la tierra se le asume un valor de cero. La resistencia de la tierra es la resistencia del suelo al flujo de la corriente, esta es
medida en Ω-m. Teóricamente, puede ser calculada usando la formula general [6]:
R =
LA
(3.1)
Donde:
R= Resistencia (Ω).
� =Resistividad de la tierra (Ω– m). L = Longitud de tramo conductivo (m).
A = Sección transversal del área de la trayectoria (m2).
También se deben considerar tanto la temperatura como la humedad del suelo, puesto que estos valores pueden afectar la resistividad del suelo [6].
Otro factor que interviene en la resistividad del suelo, son la acumulación de sales; en general entre mayor cantidad de sales o electrolitos contenga el suelo menor será su resistencia [6].
3.2 Objetivo de un sistema de puesta a tierra.
Un sistema de puesta a tierra tiene como objetivos principales la protección contra [5]:
Fenómenos naturales tales como descargas eléctricas atmosféricas (rayos)
además de proveer un medio seguro para drenar a tierra corrientes eléctricas bajo condiciones anormales y de falla sin exceder los límites de las corrientes de
operación y del equipo o afectar la integridad física de las personas, y la continuidad del servicio.
Potenciales externos, como lo son fallas en los sistemas eléctricos, conexiones auxiliares a tierra en sistemas de seguridad de operación instantánea, en sistemas de relevadores de protección de fuerza, así como proveer caminos adicionales a las corrientes de falla drenándolas a tierra rápidamente.
Una vez especificado los objetivos principales del sistema de puesta tierra se puede determinar que este sistema comprende todas las instalaciones de tierra interconectadas dentro de un área específica y consiste de dos elementos básicos [5]:
Uno o varios electrodos de tierra según la definición de la IEEE 80-2000, “Un
conductor enterrado que se usa para conducir y disipar las corrientes de tierra, dentro de la tierra física”.
Un conductor eléctrico con baja impedancia, para formar un “anillo”, o una “red” para rodear el perímetro de un área en específico, con el fin de reducir la
resistencia de puesta a tierra.
Dentro de los requisitos básicos de diseño las normas IEEE 80-2000, ya la NRF-070-
PEMEX-2004 recomiendan que cada elemento del sistema, incluyendo los conductores
de la red, las conexiones, las terminales, los electrodos de tierra, deben de ser diseñados
de acuerdo al tiempo de vida de la instalación. En la sección 14.5 de la Norma IEEE
80-2000, se recomienda el uso de electrodos químicos que consisten en un tubo de
cobre relleno de una sal metálica, acondicionando el suelo alrededor del electrodo como la mejor solución para obtener una baja impedancia en la tierra y además da como resultado un electrodo de larga duración [5].
Un adecuado diseño y una buena operación de un sistema de puesta a tierra son fundamentales para dar un gran margen de seguridad y una buena operación en cualquier instalación comercial o industrial, lo anterior es por las siguientes razones [5]:
Seguridad personal.
Una operación adecuada del equipo de protección contra descargas
eléctricas atmosféricas y eventos eléctricos transitorios derivados de las mismas.
Proporcionar un camino de baja impedancia en los circuitos de falla, para
drenar las corrientes de falla a tierra rápidamente.
Una operación adecuada de los sistemas de comunicación, el equipo de
cómputo y los equipos electrónicos más vulnerables.
3.3 Características del suelo.
El suelo está compuesto de diversos componentes los cuales determinan su resistividad, por lo que cuando se tiene un alta resistividad, se tiende a tener un mal conductor y un buen aislante [23]. La resistividad de un terreno puede ser variante, ya que esta depende del tipo de suelo y la época del año en que se encuentre, un ejemplo claro es la ciudad de México que está compuesto por un suelo heterogéneo, puesto que existen zonas de roca volcánica en el sur, roca en el norte, tepetate y arena en el poniente; arrojando un panorama un tanto complejo para un buen diseño [23].
3.4 Resistividad del suelo.
La resistividad del suelo está en función de las características del mismo, además de las dimensiones y formas de los electrodos, una forma de definir a la resistividad del suelo
es como: “La resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal
y longitud unitaria”, como se aprecia en la Fig. 3.1 [24].
Donde:
�= Resistividad de suelo Ω −m .
L = Longitud de tramo conductivo (m)
A = Sección transversal del área de la trayectoria (m2)
3.5 Factores que modifican la resistividad del suelo.
La conductividad del suelo es muy baja comparada con los metales, porque en general la superficie terrestre está compuesta de oxido de silicio y oxido de aluminio, haciendo que esta sea un buen aislante, en tanto la conductividad del suelo se debe en gran medida a las sales y la humedad contenida en esos aislantes [24].
No obstante en estas condiciones el suelo puede conducir una corriente considerable, esto es posible ya que la sección transversal del suelo es bastante grande y por lo tanto se puede decir que no presenta limitaciones. Todo aquello puede hacer la resistividad sea variable de un lugar otro, inclusive en un mismo sitio; en general los factores que nos llevan a tener estas variaciones son los siguientes [24]:
La Composición.
El estado Higrométrico: Es la humedad relativa del aire [24].
La Granulometría: Es la medición de los granos en una formación
sedimentaria, el cálculo y tamaños previstos medidos por una escala granulométrica. Para cuestiones de resistividad, es de gran importancia obtener las características higroscópicas (absorción y retención de agua) de los granos en cuestión [24].
La Compactación: Es un proceso artificial por medio del cual las partículas del
suelo son obligadas a estar en contacto unas con otras, mediante una reducción de espaciamiento, empleando medios mecánicos. El grado de compactación altera el valor de la resistividad, esto debido a la compactación, puesto que cuando esta es grande la resistividad disminuye [24].
La Temperatura: La resistividad del terreno aumenta al disminuir la
temperatura, como lo muestra la Fig. 3.2 [24].
Salinidad: Estas es una forma soluble pueden disminuir la resistividad del
suelo cuando estas se encuentran en gran cantidad o dicho de otra manera cuando aumenta la salinidad del terreno, una forma de entender esto es viendo detenidamente la Fig. 3.3 y la Fig. 3.4 que muestra la resistividad del suelo en función del tipo de sal [24].
Fig. 3.3 Resistividad el suelo en función del porcentaje de sales disueltas [24].
La Humedad: Esta juega un papel de suma importancia porque entre menos agua se tenga en el terreno mayor será la resistividad del mismo, como lo muestra la Fig. 3.5, la grafica en color rojo que representa al terreno superficial con muy poco porcentaje de humedad, que a diferencia de la grafica en color verde esta contiene un grado mayor de humedad lo cual reduce su resistividad [24].
Fig. 3.5 Resistividad en función de la humedad [24].
Estratificación del Suelo: Son los cambios transversales y longitudinales de
resistividad en un mismo volumen de terreno.
No obstante debemos decir que la composición de un mismo lugar en un terreno es heterogénea, debido a que puede estar compuesto por diferentes capas, bolsas, sedimentos, etc., esto tanto horizontal como verticalmente, una forma de representar esto es con la Fig. 3.6 en donde se observa que en un mismo volumen de terreno se pueden encontrar diferentes resistividades, por lo tanto se puede decir que la estratificación es: “La disposición en capas verticales y horizontales de las rocas sedimentarias” [24].
Fig. 3.6 Estratificación del suelo [24].
En conclusión la resistividad del suelo está en función de la forma en que está compuesto, y el único camino legible para conocer su valor, es mediante los métodos de medición, que permitirá conocer su magnitud en cada caso.
3.6 Métodos utilizados para la medición de la resistividad del suelo.
El valor obtenido en las mediciones del suelo, son valores de resistividad aparente, esto debido a que siempre se puede calcular, ya que es posible conocer el lugar de los electrodos de prueba, la tensión y la corriente de aplicación [24]. Aunque no se debe de olvidar que el terreno no tiene una resistividad constante, ya que esta varía con la trayectoria vertical y horizontal, de este modo la resistividad calculada no es tomada como la real sino más bien como una aparente [24]. En tanto que las mediciones que se realicen deben incluir los datos sobre la temperatura, contenido de humedad, salinidad del terreno, tipo de terreno, profundidad, contenido de humedad; en la tabla 3.1 se muestra la resistividad promedio con respecto al tipo de tierra y en la tabla 3.2 la resistividad en función de la naturaleza del suelo, estas tablas darán una idea de que efectivamente la resistividad de un terreno es aparente, puesto que en su mayoría es homogéneo [23].Tabla. 3.1 Resistividad Promedio [23].
Tipo de Tierra. Resistividad Promedio � − .
Tierra orgánica mojada 10
Tierra húmeda 1,000
Tierra seca 10,000
Roca 100,000
Tabla. 3.2 Naturaleza del suelo [23].
Naturaleza del suelo. Resistividad promedio. � − .
Terrenos pantanosos 30
Terreno húmedo o suelo orgánico 10-50
Terreno de cultivo o arcilloso 50-100
Tierra arenosa húmeda 100-200
Tierra arenosa seca 200-1000
Tierra con guijarros y cemento 200-1000
Roca cristalina 50-500
Arena y grava 50-1000
Roca porosa 20-2000
Suelo rocoso húmedo 2000-3000
Granito, basalto, etc. 1000
Roca compactada 1000
Limo 20-100
Humus 10-150
Turba húmeda 5-100
Arcilla plástica 50
Las mediciones que se realicen permitirán establecer una representación del suelo a través de un modelo homogéneo, por lo que dichas mediciones deberán realizarse en varios puntos ubicados en el terreno [23].
3.6.1 Método Wenner o método de los cuatro puntos.
Fue desarrollado como su nombre lo indica por Frank Wenner, este método suele ser utilizado cuando por lo general se cuenta con un suelo homogéneo, es decir de una sola capa, y en el cual se pueden obtener mediciones constantes con separaciones diferentes en los electrodos, en cambio si se trata de un suelo heterogéneo las mediciones variaran en función del espaciamiento entre electrodos; por lo tanto este método es empleado para medir la resistividad promedio del terreno [23].
3.6.1.1 Principios del método Wenner.
El método Wenner o también llamado método de los cuatro electrodos, es uno de los más utilizados en la actualidad, este consiste básicamente en enterrar cuatro electrodos en el suelo, en una línea recta, a una igual distancia A de separación y enterrados a una
profundidad B. Se mide la tensión P-P entre los electrodos internos y se divide entre la
corriente C que fluye a través de los dos electrodos externos, de esta manera se obtiene
un valor de resistencia mutua R en ohms, este arreglo puede ser apreciado en la Fig. 3.7 y 3.8 [24].
Fig. 3.7 Medición de la resistividad aparente utilizando el método Wenner [24].
En donde [24]:
A= Separación de varillas adyacentes (m). B= Profundidad de los electrodos (m). C= Electrodo de corriente.
P= Electrodo de potencial.
3.6.1.2 Equipo y material empleado.
a) Equipo contrastado de medición de resistencia a tierra [25].
b) Electrodos originales que viene junto con el quipo de medición, generalmente fabricados de acero templado o acero inoxidable con un diámetro de 0.475 a 0.6354 cm y con longitudes de 30 a 60 cm, los electrodos deben estar construidos con una manija y una terminal para conectar el cable [25].
c) Un cable de cobre con un aislamiento de 600 V, de 0.8236-03259 mm2 [25].
d) Marro para clavar los electrodos [25]. e) Guantes de cuero [25].
3.6.1.3 Procedimiento de la medición.
Se hace circular una corriente de baja frecuencia por lo electrodos laterales o de corriente (C), y por medio de un voltmetro de alta impedancia que está conectado entre
los electrodos centrales (P) se mide la caída de potencial [23].
Una vez que se han obtenido estas mediciones, se calcula la resistencia (R) con la
relación de tensión y corriente; ya obtenido este valor se procede a emplear la ecuación 3.2, para obtener el valor de la resistividad del terreno [24].
Aunque se debe aclarar que la siguiente expresión puede utilizarse siempre y cuando la relación entre A/B sea menor a 20 [23].
ρ= 4πAR 1 + 2A A2 + 4B2 − A A2 −B2 (3.2) En donde: ρ= Resistividad de terreno (Ω-m).
B= Profundidad de los electrodos (m).
R= Resistencia medida (Ω).
Si fuese el caso en que B fuera mayor que A, es decir que la profundidad fuese mayor
que la separación entre electrodos se emplearía la siguiente ecuación [23]:
ρ = 4πAR (3.3)
Y si se dan las circunstancias en que B fuese menor que A, se emplearía la siguiente
ecuación [23]:
ρ = 2πAR (3.4)
Las lecturas que se obtienen pueden ser graficadas en función de su espaciamiento, es decir vs A, esto permitirá determinar que en dado caso se tendrá un terreno
compuesto por varias capas; aunque debe resaltarse que las mediciones se deben realizar de preferencia en temporada de sequia [23].
En el caso de que se conozca el área que ocupara el sistema de puesta atierra, las mediciones deben hacerse en dirección con las cuatro esquinas del terreno, esto a partir del centro asía fuera, con una separación A de 3 a 5 m, dependiendo de la profundidad
que requieran los electrodos [23]. Las distancias A recomendada entre los electrodos
son de: 1.6, 3.2, 4.8, 6.4, 8.0, 9.6, y 11.2 m [24].
3.6.2 Método de Schlumberger.
En el método de Wenner se tomaba en cuenta la caída de tensión en los electrodos interiores, sin embrago si se tuviese una distancia considerable entre dichos electrodos, la magnitud de tensión tiende a un decremento [23], por el gran espaciamiento que existe; lo cual trae como consecuencia una gran inexactitud en la medición de la resistividad del terreno [24].
A diferencia del método antes mencionado, el método de Schlumberger permite medir la resistividad del terreno con espaciamientos mayores entre electrodos [23], como se puede ver en la Fig. 3.9.
Fig. 3.9 Principio de medición de resistividad aparente del terreno, empleando el método Schlumberger [24].
En este método los electrodos de potencial (P), se localizan lo más cerca posible de los
electrodos de corriente (C), de este manera se incrementa tensión medida [23]. Si se
considera que la profundidad (B) es menor en comparación con la separación entre ellos
la resistividad puede ser calculada por la ecuación (3.5) [23].
ρ
s=
πRc
c+d
d
(3.5)
Donde [23]:
�
=
Resistividad aparente del suelo (Ω-m).c= Distancia entre electrodos de corriente y potencial (m). d= Distancia entre electrodos de tensión (m).
R= Resistencia medida del terreno (Ω).
A continuación se muestra una tabla con valores típicos de resistividad.
Tabla 3.3 Valores de resistividad para varios tipos de suelo y agua [24]. Tipo de suelo o agua. Resistividad (� − ). Limites (� − ).
Agua de mar 2 0.1 - 10
Arcilla 40 8 - 70
Lodos 50 10 - 150
Arcilla y mezclas de arenas 100 4 - 300
Piedra arenisca y esquisto 120 10 - 100
Turba, marga con barro 150 5 - 250
Agua dulce 250 100 - 400 Arena 2000 200 - 3000 Grava morena 3000 40 -10,000 Grava volcánica 15000 300 – 30,000 Granito solido 25000 10,000 – 50,000 hielo 100,000 10,000 – 100,000
En conclusión con este método las variaciones de resistividad debidas a la composición del terreno, se reducen considerablemente y se obtiene una mayor precisión en longitudes de medición considerables.
3.6.3 Método de los tres puntos o caída de tensión.
Consiste en hacer circular una corriente de valor conocido entre dos electrodos fijos, uno que será auxiliar de corriente (C2) y otro de prueba (C1), con el objetivo de medir la caída de tensión. Este método permite variar la profundidad de un tercer electrodo denominado electrodo de prueba (P2), el cual se considera como una parte integral del sistema de puesta a tierra [23]. El electrodo auxiliar (P2) que se menciono anteriormente, está ubicado entre los dos electrodos auxiliares (C2yC1), con el objetivo de que este será desplazado a lo largo del espacio que existe entre ellos, esto para obtener diversas lecturas, como se puede apreciar en la Fig. 3.10 [23]:
Fig. 3.10 Método de caída de tensión.
Debemos aclarar que los electrodos auxiliares deben ser enterrados a poca profundidad de forma radial a partir del electrodo de prueba [24].
Este método consiste en graficar la relación V/I=R, como una función de la variación de la distancia X. Como se menciono con anterioridad el electrodo auxiliar de tensión se mueve a lo largo del espacio que existe entre los electrodos auxiliarles (C2yC1) con incrementos de 10% de la distancia, de esta manera se obtiene el valor de la resistencia para cada incremento [24].
Una vez visto esto si se considera un suelo uniforme, se recomienda localizar el electrodo de tensión (P2) a 62 % de distancia entre C2 yC1. Este procedimiento es muy preciso, pero el único inconveniente que tiene es que solo es aplicable para suelos uniformes [23].
La resistividad del terreno puede ser obtenida por la siguiente expresión [23]:
ρ
c=
2
π L
eR
ln
4
rL
ee
−1
Donde:
ρ
c=
Resistividad aparente del suelo (Ω-m).L
e= longitud del electrodo bajo prueba (m). R= Resistencia medida del terreno (Ω-m).r
e= Radio de la sección transversal del electrodo bajo prueba (m).En conclusión este método es de gran ayuda para determinar las variaciones de la resistividad del terreno, debido a que se pueden graficar las longitudes del electrodo de prueba vs la resistividad del terreno, como lo muestra la Fig. 3.11 [23].
Fig. 3.11 Curva típica de resistencia tierra [24].
Todos los métodos que se mencionaron con anterioridad, son formas de cómo puede ser medida la resistividad de un terreno y a continuación se explicaran los métodos que existen para disminuir dicha resistividad.
3.7 Compuestos químicos para la resistividad del suelo.
En ocasiones se pueden tener valores altos en la resistividad del suelo, en este caso pueden ser empleados combinaciones de materiales tales como: bentonita (arcilla), gel (solución salina), resinas sintéticas, mezclas químicas especiales compuestas a base de sodio, sulfato de cobre, sulfato de magnesio, cloruro de calcio, silicatos, carbón mineral tipo coke, grafito y yeso, los cuales son colocados alrededor de los electrodos [23]. Por otro lado se debe tener en cuenta que algunos de estos elementos pueden corroer o sulfatar a los electrodos, debido a sus propiedades químicas y físicas, generando como consecuencia un incremento en la resistencia del terreno, por lo que se recomienda [23]:
No aplicar carbón mineral tipo coke como único material de relleno, debido a que no posee ningún aglutínante.
No emplear sal ya que corroerá los electrodos.
No utilizar recortes metálicos o rebabas, puesto que acelera la oxidación y la degradación de los electrodos.
Los materiales anteriormente descritos retardan la evaporación de la humedad del suelo, permitiendo conservar la resistividad del terreno [23].
Para poder elegir el tipo de tratamiento químico se deben considerar los siguientes factores [23]:
Porcentaje de reducción inicial en la resistividad del suelo.
Tiempo de vida útil, considerando al elemento y del sistema de puesta a tierra.
Facilidad de reactivación.
Estabilidad (mantener la misma resistencia durante varios años).
Una vez que se ha elegido adecuadamente el tratamiento químico, este debe tener las siguientes características [23]:
Los compuestos no deben ser corrosivos.
Deben ser químicamente estables en el suelo.
Alta conductividad.
3.7.1 Tratamientos para la reducción de la resistividad del suelo.
Existen diversos tipos de tratamientos químicos para reducir la resistencia del suelo, los