UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO
¿vi
SISTEMA DE RED DE TIERRAS EN SUBESTACIONES
ELECTRICAS DE POTENCIA
POR:
yfcíi I *-ING. GUILLERMO RODRIGUEZ JAÜREGUI
TESIS
FN OPCION. AL
GRADO
DE MAESTRO
m
CIENCIAS
DE LA
INGENIERIA ELECTRICA
CON ESPECIALIDAD EN POTENCIA
SAN NICOLAS DE LOS GARZA, N. L , MEXICO, JUNIO DEL 2002
GR J
co
ÜJ < CD — 3 O CO z „ y j CO < UJi
Q
LU CO c < S fE O o UJ UJ CE
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON
F A C U L T A D DE I N G E N I E R I A M E C A N I C A Y E L E C T R I C A
D I V I S I O N DE ESTUDIOS DE P O S G R A D O
SISTEMA DE RED DE TIERRAS EN SUBESTACIONES
ELECTRICAS DE POTENCIA
ING. GUILLERMO RODRIGUEZ JAUREGUI
T E S I S
EN OPCION AL GRADO DE MAESTRO
EN CIENCIAS DE LA INGENIERIA ELECTRICA
CON ESPECIALIDAD EN POTENCIA
TM
» H
F I H *
ì - o o £
. R e .
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO
SISTEMA DE RED DE TIERRAS EN SUBESTACIONES
ELECTRICAS DE POTENCIA
POR
ING. GUILLERMO RODRIGUEZ JAUREGUI
TESIS
OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS
UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEON
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
DIVISION DE ESTUDIOS DE POSGRADO
SISTEMA DE RED DE TIERRAS EN SUBESTACIONES
ELECTRICAS DE POTENCIA
POR
ING. GUILLERMO RODRIGUEZ JAUREGUI
TESIS
OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS
Universidad Autónoma de Nuevo León
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del comité de tesis recomendamos que la tesis "Sistema
de red de tierras en subestaciones eléctricas de potencia", realizada por el
alumno Ingeniero Guillermo Rodríguez Jauregui matrícula 0574874, sea
aceptada para su defensa como opción al grado de Maestro en Ciencias de la
Ingeniería Eléctrica con especialidad en Potencia.
El Comité de Tesis
Asesor
M.C. Felix González Estrada
)asesor
M.C. Roberto Villarreal Garza.
Co5se$or"
M.(X Evelio P. González Flores
Dr. Guadalupe Alan (¿astillo Rodríguez
División Estudios de Posgrado
DEDICATORIA
Este trabajo se lo dedico en p r i m e r instancia a mi esposa Marisol, por la
paciencia, sacrificio y comprensión q u e m e tuvo.
A mis dos hijas A n a Sofía y Angela Marisol, por las cuales trato de
superarme día a día y ser más competente e n mi profesión.
A m i s padres Melchor y Rosa María, a los cuales les debo la educación q u e
m e brindaron, gracias por darme las facilidades para estudiar u n a carrera
profesional.
A m i s hermanos, amigos y d e m á s familiares p o r todo el a p o y o q u e a lo
largo d e mi vida m e h a n brindado.
A mis asesores y maestros de la Facultad d e Ingeniería M e c á n i c a y
Eléctrica; al igual q u e a mis compañeros y amigos d e la Comisión Federal de
Electricidad por sus consejos y enseñanzas que n u n c a olvidare.
PROLOGO
En la actualidad las mallas de tierra de m u c h a s subestaciones en el área
metropolitana de Monterrey se encuentran e n estado critico de confiabilidad e n
el sentido de seguridad del personal.
Lo anterior se explica fácilmente, las mallas de tierra p o r lo general se
diseñan y construyen tomando e n cuenta el valor d e corriente de falla q u e se
tenía e n ese m o m e n t o y al cual se le aplica o debía aplicar un factor d e
crecimiento de acuerdo al pronostico de generación esperada.
Por lo general al sistema de tierras solo se le da mantenimiento c u a n d o s e
detecta una falla, por reporte de inspección o medición; e n la practica general
n o n o s preocupamos por asignar u n presupuesto para renovar, sustituir o
m o d i f i c a r dicho sistema, en las subestaciones de m a y o r antigüedad;
actualmente en la Comisión Federal de Electricidad se encuentran e n
operación subestaciones eléctricas q u e tienen fechas de puesta en servicio de
hace y a m a s de veinte años, las cuales fueron diseñadas sin imaginar los altos
niveles de corto circuito q u e actualmente s e tienen.
El aplicar correctamente los factores de crecimiento cuando se p l a n e a
construir una subestación es parte primordial en la confiabilidad de la m i s m a a
través de los años. Este trabajo esta orientado especialmente a todas aquellas
INDICE
Capitulo Página
S Í N T E S I S 1 1 I N T R O D U C C I Ó N 2
1.1 Descripción del p r o b l e m a 2 1.2 Objetivo de la tesis 2
1.3 Hipótesis 3 1.4 Justificación del trabajo de tesis 3
1.5 Metodología a seguir 4 1.6 Limites del estudio 4 1.7 Revisión bibliográfica 4
2 I N S T A L A C I O N E S D E P U E S T A A T I E R R A 5
2.1 Presentación 5 2.2 Problema básico 5 2.3 Condiciones de peligro 7 2.4 ¿ Q u é es una instalación de puesta a tierra? 7
2.5 Funciones y objetivos básicos de u n a instalación
de puesta a tierra 7 2.6 Definición de la puesta a tierra 9
2.7 Antecedentes históricos 9 2.8 Naturaleza de las corrientes a tierra 10
2.9 Orígenes de las corrientes a tierra 10 2.10Importancia y trascendencia de las c o m e n t e s
a tierra 11 2.11 Clasificación de los sistemas de puesta a tierra 12
2.12 Elementos 13 2.13 Sistema de electrodos 13
2.14 Efectos fisiológicos de las corrientes a tierra 14 2.15 Problemas básicos de la red de tierras 14 2.16 Ventajas de un sistema eficazmente aterrizado 15 2.17 Problemas típicos que s e encuentran e n el diseño
de red de tierras 15 2.18 Aspectos sociales y los sistemas de seguridad en la
técnica de la energía eléctrica 15
3 R E S I S T I V I D A D D E L T E R R E N O 19 3.1 Condiciones de los terrenos 19 3.2 Dependencia de las características eléctricas
del terreno 2 0 3.3 Factores que influyen e n la resistividad del terreno 21
3.3.1 Composición del t e u e n o 21 3.3.2 Sales solubles y su compo.Muón 22 3.3.3 Estado Hidrométrico del terreno 22
3.3.4 Temperatura 22 3.3.5 Granulonietría 23 3.3.6 Compacidad 23 3.3.7 Estratigrafía 23 3.3.8 Otros factores 24 3.4 Medición de la resistividad de la grava de una
subestación 24 3.4.1 Método 25 3.4.2 Observaciones y resultados 26
3.5 Medida de la resistividad del terreno 27 3.5.1 Métodos de medida 27 3 5 2 Consideraciones sobre la medida de
la resistividad 28 3.5.3 Elementos necesarios para efectuar
las mediciones 29
4 F U N D A M E N T O S C I E N T Í F I C O S Y F A C T O R E S
F S E N C I A L E S EN EL A N Á L I S I S D E I N S T A L A C I O N E S
DE P U E S T A A T I E R R A 30 4.1 Generalidades 30
4.1.1 Acerca del transporte de electncidad a
través de la tierra 30 4.1.2 Acerca de la naturaleza eléctrica de
la corriente a tierra 31 4.1.3 Influencia de la naturaleza eléctrica
de la corriente en el grado de dificultad
del análisis riguroso 33 4.1.4 Acerca de los factores integrantes
técnico y social 33 4.2 Aspectos geológicos y geotécnicos 35
4.2.1 Generalidades 35 4.2 2 Aspectos geológicos generales 35
4.2 3 La corteza terrestre 36
4 3 As\ ectos geofísicos 37
4.3.1 Pr piedades magnéticas y eléctricas de
rocas y minerales 37 4.3.2 Los potenciales eléctricos 37
4 3.3 Conductibilidad eléctrica 38 4.3.4 Constante dieléctrica 38 4.3.5 Permeabilidad magnética 39
4.4 Aspectos geoeléctricos 39 4 4.1 Generalidades 39 4.4.2 Conceptos esenciales del sistema
electrodo-Ti erra 40
5.2 L i m i t e s de c o m e n t e s tolerables por el c u e r p o
h u m a n o 4 2 5.3 C o n o de tensión 4 4
5.4 T e n s i ó n de p a s o 44 5.5 T e n s i ó n d e contacto 4 5 5.6 Investigación de los potenciales de transferencia 4 6
5.6.1 Rieles 4 7 5.6.2 N e u t r o s de los a l i m e n t a d o r e s o corto
circuitos secundarios de b a j a tensión 4 7
5.6.3 Tubería de agua 4 8 5.6.4 E d i f i c i o s 4 8 5.6.5 C e r c a s metálicas 4 8
5.7 T e n s i ó n de seguridad 4 8 5.8 M a g n i t u d e s eléctricas que caracterizan una
puesta a tierra 4 9 5.9 T e n s i o n e s de p a s o y de contacto a p l i c a d a s
6 E F E C T O S F I S I O L Ó G I C O S D E L A C O R R I E N T E
E L É C T R I C A 50 6.1 P e r c e p c i ó n del c u e r p o h u m a n o al p a s o de la
corriente 50 6.1.1 Inicio de la contracción 50
6.1.2 La repartición de la corriente por
el c u e r p o 52 6.1.3 El inicio del paro respiratorio 52
6.2 U m b r a l de sensibilidad 52 6.3 U m b r a l de no soltar 53 6.4 M u e r t e aparente 53 6.5 Fibrilación ventricular y su umbral 53
6.5.1 P a r á m e t r o s de que d e p e n d e 54 6.6 C o n c o r d a n c i a d e sucesos para originar riesgo
d e accidentes 55 6.7 Resistencia eléctrica del c u e r p o h u m a n o 56
6.8 C o r r i e n t e s tolerables 58 6.9 T e n s i o n e s de seguridad 59 6 . 1 0 C o n d i c i o n e s de peligro 59 7 I N T E N S I D A D D E C O R R I E N T E S P E F A L L A 61
7.1 P a n o r a m a general 61 7.2 C o r r i e n t e s máximas» de corto circuito a tu ra 62
7.2.1 T i p o s de fallas a tierra 62 7.2.2 C o m p o n e n t e simétrica de la corriente
a tierra de la falla en el instante de la
falla 62 7.2.3 Factores de corrección c o n s i d e r a d o s en el
cálculo de las corrientes de c o r t o circuito.. 6 3
7.2.4 Factores de d e c r e m e n t o " D " 63 7.2.5 Factores de seguridad por c r e c i m i e n t o
7.4 Efecto de los hilos de guarda 66 7.5 Tiempos m á x i m o s de eliminación de una falla 67
8 C O N C L U S I O N E S Y R E C O M E N D A C I O N E S 68
8.1 Conclusiones 68 8.2 Recomendaciones 68
B I B L I O G R A F Í A 70 L I S T A D O D E F I G U R A S 71
A P É N D I C E ( C A L C U L O D E R E D D E T I E R R A S ) 72
SINTESIS
En este estudio doy a conocer la importancia que se le debe prestar al sistema de red de
tierras en las subestaciones eléctricas de potencia, especialmente de tipo intemperie; desde
el diseño, elaboración de proyecto, factores q u e hay q u e tomar e n cuenta y criterios a
considerar.
El c o n o c e r los efectos a los que las personas quedan expuestas cuando se encuentren
dentro o e n las cercanías de una instalación eléctrica en especial una subestación, al ocurrir
una falla a tierra en el sistema; dichos efectos p u e d e n causar hasta la muerte si las
condiciones que se presentan coinciden en tiempo, lugar y posición de la persona.
U n factor importante a considerar es la magnitud del nivel de corto circuito que la
compañía suministradora debe proporcionar e n el p u n t o donde se ubicará la subestación,
brindando además el factor de incremento del sistema para garantizar y brindar una m a y o r
protección e n lo que a seguridad se reñera.
Se plantea el problema de la resistividad de los terrenos, los diversos tipos que se tienen
en la región, su medición y sus métodos; así c o m o la influencia que tiene en el buen diseño
de una red de tierras. Plantear y dar a conocer los factores que influyen en la resistividad
1 INTRODUCCION
1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
El arreglo de un sistema de red de tierras para una subestación eléctrica de potencia
d e p e n d e m u c h o de los criterios utilizados por los ingenieros q u e la diseñan, provocando con
esto una incertidumbre en el funcionamiento de la misma tanto e n el estado normal de
operación c o m o e n la eventualidad de una falla interna o externa del sistema.
El nivel de potencia de corto circuito actual en las principales ciudades de M é x i c o se ha
incrementado de manera considerable, provocando con esto que las corrientes que circulan
en una falla a tierra son más grandes y por consecuencia se crean gradientes de potencial
m á s peligrosos.
A u n a d o a esto la dependencia en gran parte de la composición física del terreno, y las
condiciones pluviales existentes, originan a que el diseño de una malla de tierras nunca será
de características iguales en una subestación y otra, aun y que tengan en c o m ú n la misma
capacidad y tamaño.
1.2 OBJETIVOS DE LA TESIS
1) Establecer bases para el diseño de una red de tierras, dar a c o n o c e r los valores limite
de diferencias de potencial que puedan existir en una subestación b a j o condiciones
de falla, entre punios q u e puedan ser tocados por una persona.
2) Revisar los métodos utilizados para el sistema de tierras en subestaciones, con
especial e n f o q u e en la seguridad, desarrollando criterios para un d i s e ñ o seguro.
3) Desarrollar métodos analíticos q u e ayuden en la c o m p r e n s i ó n y solución d e
problemas típicos de gradientes de potencial.
4) Unificar criterios e n el diseño de una red de tierras.
5) A y u d a r a clarificar la nebulosidad q u e rodea la p r o b l e m á t i c a d e la p u e s t a a tierra.
6) Q u e sirva d e apoyo tanto para estudiantes c o m o para p r o f e s o r e s de la ingeniería
eléctrica y ramas afínes, así c o m o a profesionistas de la práctica general en tales
disciplinas, tanto e n las tareas de planeación y c o n s t r u c c i ó n d e sistemas de tierras
q u e se requieras dentro de subestaciones eléctricas.
7) D i f u n d i r los a v a n c e s tecnológicos m á s recientes e n n u e s t r o país.
8) Dar a c o n o c e r los valores actuales y futuros de la potencia d e c o r t o circuito e n el
área metropolitana de Monterrey.
1.3 HIPÓTESIS
Es posible lograr el diseño de una red de tierras m á s c o n f i a b l e , p r e v i e n d o i n c r e m e n t o s d e
capacidad e n plantas generadoras, t o m a n d o factores de corrección a d e c u a d o s .
1.4 JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE TESIS
C o m o prioridad se pretende proteger al m á x i m o la vida de una o varias p e r s o n a s q u e
laboren o transiten en las cercanías de una subestación a c a u s a de un c h o q u e eléctrico.
A u n a d o a t o d o esto, el costo de los equipos instalados e n u n a s u b e s t a c i ó n d e distribución
o de potencia es elevado, el b u e n funcionamiento y t i e m p o d e vida útil d e p e n d e e n g r a n
p a r t e a la solidez y confíabilidad del sistema de tierras, p o r lo q u e e s c o n v e n i e n t e orientar al
Hacer conciencia de que un buen sistema de tierras radica en dar seguridad a las
personas durante un eventual traspaso de corriente hacia la tierra, pero también en promover
la eficiencia de los procesos técnicos involucrados y por supuesto, en el monto de los
recursos necesarios para la realización de las instalaciones de puesta a tierra.
1.5 METODOLOGÍA A SEGUIR
Proporcionar un conocimiento amplio de todo lo relacionado al diseño de una red
de tierras.
Revisión de los diferentes métodos existentes en la planeación y construcción de
red de tierra .
Comparar los diferentes métodos y diseños estableciendo el más adecuado.
1.6 LIMITES DEL ESTUDIO
Llevar a la practica los conocimientos teóricos, desarrollando un sistema de tierras en el
que se puntualicen los aspectos aquí descritos así c o m o su seguimiento en el mantenimiento
y supervisión de la misma.
1.7 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
El Instituto de I n v e s t i g a d nes Eléctricas al igual que la Comisión Federal de
Electricidad, se han p r e o c u p a d o intensamente por este tema, a m b o s se basan principalmente
en lo establecido por la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.),
tiatando de establecer c o m o pru n d a d el proporcionar seguridad a los seres vivos dentro y
en las cercanías de una subestación eléctrica. Sin perder de vista el buen f u n c i ó n u r i e n t o de
2 INSTALACIONES DE PUESTA A
TIERRA
2.1 PRESENTACIÓN
La temática de la puesta a tierra permite e n f o q u e s m u y variados. El q u e h e e l e g i d o para
esta Tesis pretende ir introduciendo al lector d e forma paulatina y natural e n esta materia,
tratando de arrancar desde el origen del p r o b l e m a .
2.2. PROBLEMA BÁSICO
El diseño de un sistema de tierra seguro, persigue los dos siguientes objetivos:
Proporcionar un m e d i o para llevar las corrientes eléctricas a tierra b a j o
condiciones n o r m a l e s o de falla, sin e x c e d e r los l i m i t e s o p e r a t i v o s d e los
e q u i p o s y p r o c u r a n d o dar continuidad al servicio.
Asegurarse q u e una persona q u e transite o p e r m a n e z c a d e n t r o o cerca d e las
instalaciones q u e tienen e q u i p o eléctrico e n e r g i z a d o ( s u b e s t a c i o n e s ) n o s e
vea expuesta a potenciales peligrosos y p u e d a sufrir u n a d e s c a r g a eléctrica.
Los sistemas de tierra se pueden clasificar de dos m a n e r a s d e s d e el p u n t o de vista
A t o m / a n i ionios intencionales, los cuales consisten en c o l o c a r electrodos a
liona a cierta p r o f u n d i d a d de la superficie.
A l c m / a m i e n t n s accidentales, establecidos temporalmente por una persona la
cual queda expuesta a gradientes de potencial peligrosos en una subestación.
La gente a s u m e f r e c u e n t e m e n t e que un objeto aterrizado p u e d e ser s e g u r o de tocar. Una
subestación q u e tenga resistencia de tierra muy baja, no es garantía de seguridad. Lo
anterior porque no existe una relación simple entre la resistencia de un sistema de tierra y la
m á x i m a descarga de corriente a la que una persona p u e d e ser e x p u e s t a . P o r lo tanto una
subestación q u e presente una baja resistencia de tierra p u e d e ser peligrosa, m i e n t r a s q u e otra
subestación con m u y alta resistencia p u e d e ser segura o p u e d e ser d i s e ñ a d a con m a s
seguridad. Por e j e m p l o si una subestación no tiene cable de neutro, es m u y importante tener
una muy baja resistencia de malla.
Figura No. 1
M u c h a s de las corrientes de falla entran a tierra c a u s a n d o f r e c u e n t e m e n t e un incremento
en el potencial d e paso, c o m o se observa e n la figura. Pero si tiene o presenta cablc de
2.3 CONDICIONES DE PELIGRO
Durante una condición de falla, el f l u j o de la corriente a tierra producirá gradientes d e
potencial dentro y en los alrededores de la subestación. En la siguiente figura se muestran
los efectos que se pueden presentar para una subestación con arreglo de malla rectangular y
un terreno h o m o g é n e o .
Figura No. 2
2.4 ¿QUE ES UNA INSTALACIÓN DE PUESTA A TIERRA?
Es la unión eléctrica con la tierra, de una parte de un circuito eléctrico o d e una parte
conductora no perteneciente al mismo, definida t a m b i é n c o m o el c o n j u n t o f o r m a d o por
electrodos y malla de tierra q u e conecta a los elementos que d e b a n estar p u e s t o s a tierra e n
una instalación eléctrica, q u e para este c a s o será el de una s u b e s t a c i ó n eléctrica de
distribución tipo exterior.
2.5 FUNCIONES Y OBJETIVOS BÁSICOS DE UNA INSTALACIÓN DE
PUESTA A TIERRA
Una instalación d e puesta a tierra es aquella instalación eléctrica q u e tiene c o m o misión
derivar corriente hacia tierra, o bien establecer contacto c o n ella; las c o m e n t e s involucradas
impulsos, corrientes q u e pueden ser originadas durante el f u n c i o n a m i e n t o d e un sistema
técnico h e c h o por el hombre o c a u s a d o por un f e n ó m e n o natural. Se d e m u e s t r a por otra
parte, q u e la puesta a tierra m á s elemental satisface los requisitos para considerársele
sistema, por tanto, se establece que una instalación de puesta a tierra es realmente un
sistema de puesta a tierra.
Q u e se logrará:
- Limitar la diferencia de potencial, q u e e n un m o m e n t o d a d o p u e d e presentarse
entre estructuras metálicas y tierra.
- Posibilitar la detección de fallas a tierra y asegurar la actuación y coordinación
de las protecciones.
- Limitar las sobretensiones internas (de m a n i o b r a , transitorias y temporales) q u e
p u e d e n aparecer e n la red eléctrica.
- Evitar q u e las tensiones que originan las d e s c a r g a s d e los r a y o s p r o v o q u e n
" f l a m e o s inversos", para el caso de instalaciones tipo exterior, p a r t i c u l a r m e n t e en
las líneas aéreas de llegada a la subestación.
La circulación de las intensidades de corriente p o r la instalación de puesta a tierra, p u e d e
originar la aparición d e diferencias d e potencial entre ciertos p u n t o s , p o r e j e m p l o entre la
instalación d e puesta a tierra y el terreno que la rodea o e n t r e dos p u n t o s del m i s m o , p o r
c u y a razón debe concebirse la instalación de puesta a tierra para q u e , i n c l u s o c o n la
aparición de las diferencias de potencial aludidas se c u b r a n los siguientes objetivos:
- Seguridad de las p e r s o n a s
- Protección de las instalaciones
M e j o r a de calidad del servicio
Establecimiento y p e r m a n e n c i a de u n potencial de referencia.
D e b e hacerse especial énfasis en q u e la seguridad d e las p e r s o n a s e s lo q u e
v e r d a d e r a m e n t e p r e o c u p a y se constituye en el fin primordial d e la instalación de puesta a
Por esta razón toda subestación eléctrica deberá disponer d e una protección o instalación
d e tierra, diseñada en forma tal que en ningún punto n o r m a l m e n t e accesible del interior o
exterior do la misma donde las personas puedan circular o p e r m a n e c e r , exista el riesgo de
q u e puedan estar sometidas a una tensión peligrosa durante cualquier falla de la instalación
o red unida a ella.
M a s sin e m b a r g o se c o n o c e que es a b s o l u t a m e n t e imposible, a m e n o s q u e se a b a n d o n e
totalmente la distribución de energía eléctrica, prevenir e n t o d o m o m e n t o , e n t o d o lugar y
b a j o todas las circunstancias, la presencia de tensiones peligrosas. Sin e m b a r g o este h e c h o
n o a m p a r a la responsabilidad de intentar disminuir esa p r o b a b i l i d a d tanto c o m o
r a z o n a b l e m e n t e se pueda. A f o r t u n a d a m e n t e e n la m a y o r í a de los casos m e d i a n t e un diseño
cuidadoso e inteligente esa probabilidad p u e d e reducirse a un valor e x t r e m a d a m e n t e b a j o .
Al hacer referencia a la a c c i ó n del " p u e n t e o " de d o s p u n t o s c o n el c u e r p o , se esta
p e n s a n d o e n el c o m p o r t a m i e n t o profesional del personal s o b r e la instalación y e n el q u e se
podría llamar c o m p o r t a m i e n t o n o r m a l de las personas a j e n a s a ella.
E n este p u n t o c o n v i e n e p u e s remarcar, q u e la puesta a tierra n o garantiza de a l g ú n
accidente ante las incalculables conductas, reacciones a n ó m a l a s , i m p r u d e n c i a s q u e las
personas p u e d a n llevar a c a b o c o n respecta a u n a instalación d e alta tensión.
2.6 DEFINICIÓN DE LA PUESTA A TIERRA
La ingeniería de la puesta a tierra es la tecnología de la acción q u e s e o c u p a d e la
aplicación de conocimientos científicos y tecnológicos sustantivos, p e r o t a m b i é n d e
conocimientos empíricos c o m p r o b a d o s , dirigidos hacia la eficiente, s e g u r a y e c o n ó m i c a
utilización de la tierra c o m o e l e m e n t o eléctrico para fines diversos.
2.7 ANTECEDENTES HISTORICOS
A pesar de q u e la tierra ha sido e l e m e n t o eléctrico d e s d e h a c e m i l l o n e s d e años, tanto su
r e c o n o c i m i e n t o c o m o su utilización en los sistemas técnicos c o n s t r u i d o s por el h o m b r e son
la electricidad atmosférica, estuvo siempre ligada a las supersticiones, a la mitología y a la
religión. Sin e m b a r g o en los orígenes de la ciencia eléctrica se observó q u e ya desde
entonces los h o m b r e s se interesaron en las posibles aplicaciones de la electricidad y sus
efectos en los diversos aspectos de su vida diaria y, c o m o se m e n c i o n ó antes, se p u e d e
considerar q u e e n los e x p e r i m e n t o s de h o m b r e s , p r á c t i c a m e n t e sin facilidades, pero con
m e n t e m u y abierta, se encuentran las raíces de la técnica de la p u e s t a a tierra, c u y o s
aspectos esénciales sigan s i e n d o el estudio del c o m p o r t a m i e n t o de la tierra c o m o c o n d u c t o r
y polo eléctrico, así c o m o d e s u s e f e c t o s tanto b e n é f i c o s c o m o n o c i v o s , s o b r e los sistemas
técnicos h e c h o s p o r el h o m b r e y m u y especialmente s o b r e los seres vivos.
2.8 NATURALEZA DE LAS CORRIENTES A TIERRA.
Las corrientes telúricas o de tierra son las corrientes eléctricas q u e se p r o p a g a n a través
d e la tierra; p u e d e n ser distinguidas según su n a t u r a l e z a eléctrica c o m o sigue: 1)
estacionarias de corriente continua; 2) casi estacionarias o alternas lentas r e g u l a r m e n t e entre
50 y 60 Hz; 3) alternas rápidas o de alta f r e c u e n c i a n o r m a l m e n t e utilizadas e n las
telecomunicaciones, y 4) corrientes que se p r o p a g a n c o m o o n d a s e l e c t r o m a g n é t i c a s de
impulso que son las corrientes d e rayo.
2.9 ORÍGENES DE LAS CORRIENTES A TIERRA.
Las c o m e n t e s a tierra p u e d e n ser c a u s a d a s p o r f e n ó m e n o s naturales, o b i e n , p o r el
f u n c i o n a m i e n t o d e ciertos sistemas eléctricos c r e a d o s p o r el h o m b r e . D e n t r o d e las
primeras, se tiene por ejemplo, a las corrientes q u e son o r i g i n a d a s por c a m p o s variables e n
el tiempo, las c a u s a d a s p o r f e n ó m e n o s m e t e o r o l ó g i c o s transitorios, así c o m o las excitadas
de m a n e r a natural dentro d e la tierra. D e b i d o a las oscilaciones e n el t i e m p o del c a m p o
m a g n é t i c o d e la tierra, se i n d u c e n e n su m a s a corrientes parásitas a escala global. El c a m p o
m a g n é t i c o estacionario de la tierra provoca e n las corrientes m a r i n a s y o t r a s corrientes
eléctricas unipolares p o r inducción. Los f e n ó m e n o s eléctricos transitorios e n t r e la a t m ó s f e r a
y la m a s a d e tierra originan el establecimiento de corrientes eléctricas e n t r e ellos , lo q u e se
m a n i f i e s t a p o r m e d i o del rayo durante la tormenta.
En los límites entre materiales q u í m i c a m e n t e d i f e r e n t e s se c r e a n c a m p o s eléctricos
de agua, e n la superficie, así c o m o en la d e s e m b o c a d u r a de un río al mar al mezclarse el
agua dulce con la salada; y aun, diferencias de temperatura d e n t r o de la m a s a d e la tierra
ocasionan corrientes de calor, que frecuentemente van a c o m p a ñ a d a s del transporte d e
electricidad.
Dentro de los sistemas c r e a d o s por el h o m b r e , e n ciertos casos, p o r razones de
operación, y en otros por circunstancias accidentales, se derivan corrientes eléctricas hacia
el suelo ( superficie d e la tierra considerada c o m o soporte s o b r e el cual se m u e v e n los seres
vivos o se asientan las cosas), o bien, se utiliza c o m o p o l o eléctrico. E j e m p l o s d e c a s o d e
operación son los sistemas de transporte electrificado, tanto e n corriente continua, c o m o e n
corriente alterna.
Dentro de los casos accidentales se p u e d e m e n c i o n a r al q u e se origina d e b i d o a un
d e f e c t o del aislamiento en los m e d i o s eléctricos de servicio, e n los sistemas industriales o e n
las lineas aéreas de transporte de electricidad, pero también e n los n o m e n o s importantes
sistemas de distribución d e energía eléctrica a los diversos usuarios y dentro de sus propias
instalaciones.
Por otro lado, la caída d e rayos sobre líneas aéreas y otra c l a s e d e instalaciones eléctricas
originan la derivación de c o m e n t e s d e impulso de e l e v a d a m a g n i t u d .
2.10 IMPORTANCIA Y TRASCENDENCIA DE LAS CORRIENTES A
TIERRA.
El h e c h o de q u e la tierra c o n d u z c a corriente eléctrica es d e s u m a i m p o r t a n c i a para los
sistemas técnicos q u e el h o m b r e construye, ya q u e participa de diversas m a n e r a s e n el
p r o c e s o central del sistema particular. Sin e m b a r g o , los e f e c t o s eléctricos, m a g n é t i c o s ,
térmicos y fisiológicos q u e se originan durante el p r o c e s o del t r a n s p o r t e y circulación d e la
corriente dentro de la tierra son t a m b i é n trascendentales, r e p e r c u t e n en la eficiencia y
e c o n o m í a del sistema técnico en cuestión, así c o m o e n aspectos de seguridad p a r a los seres
vivos.
El valor de las intensidades de corriente q u e se t r a s p a s a n a la tierra p u e d e llegar a varias
d e c e n a s de kA; a d e m á s , n o se p u e d e conocer d e a n t e m a n o la m a g n i t u d de la corriente ni el
sitio exacto d o n d e se sucederá el impacto del rayo. E n principio toda c l a s e de estructuras, en
particular las metálicas de gran altura, son sitios m u y p r o b a b l e s de atracción para los rayos.
lugares, en donde s e p u e d e controlar en cierta m e d i d a s u s efectos, los c u a l e s son de
naturaleza eléctrica, magnética y térmica. Éstos producen altos voltajes que p u e d e n llegar a
d a ñ a r a las personas que es encuentren en el sitio del impacto o en su p r o x i m i d a d . D e
acuerdo con el e s t a d o actual de las investigaciones en este c a m p o tecnológico, la m e d i d a
m á s efectiva sigue siendo contar con una puesta a tierra eficiente.
Dentro del á m b i t o de la corrientes de tierra artificiales, el c a m p o tecnológico de las
líneas aéreas de transporte de electricidad es uno de los m á s trascendentales. Por e j e m p l o ,
en el c a s o d e transporte por m e d i o de corriente continua e n altos v o l t a j e s se p u e d e n usar dos
opciones f u n d a m e n t a l e s : 1) utilizar un conductor metálico para el circuito de ida d e la
corriente, y para el circuito de retorno de la corriente, usar la tierra, o e n el caso de un
circuito submarino, el m a r (el m a r p r o f u n d o p r e s e n t a una alta c o n d u c t i b i l i d a d ) , y 2) utilizar
d o s c o n d u c t o r e s metálicos e n la operación normal y, en caso d e u n a falla de aislamiento en
u n a de las vías, utilizar la tierra c o m o circuito de r e t o m o d e la corriente, c o n d u c i é n d o s e
entonces, p o r supuesto, solo la m i t a d de la potencia.
E n los sistemas m o d e r n o s d e suministro de energía eléctrica e n corriente alterna, tanto
en alta tensión c o m o e n b a j a tensión, una falla d e aislamiento origina la c o n e x i ó n a tierra de
c u a n d o m e n o s u n o d e los c o n d u c t o r e s activos, d a n d o p o r resultado el traspaso de la
corriente de d e f e c t o a tierra, q u e servirá entonces c o m o circuito d e retorno hacia las fuentes
de la m i s m a , la corriente d e r e t o m o p u e d e llegar a alcanzar m a g n i t u d e s m u y elevadas, en
particular c u a n d o se trata de redes c o n el p u n t o estrella p u e s t o a tierra directa o
indirectamente. Tal h e c h o causará disturbios e n la distribución del potencial e n t r e las fases
del sistema y a toda la o p e r a c i ó n d e las líneas, originando la salida del servicio d e las
m i s m a s . E n esta clase de evento sí se p u e d e calcular de a n t e m a n o la m a g n i t u d d e la
intensidad d e la corriente q u e circulará hacia la tierra.
2.11 CLASIFICACIÓN DE LOS SITEMAS DE PUESTA A TIERRA.
La p r i m e r a clasificación d e los sistemas de tierras es e n b a s e a su naturaleza: 1)
instalación artificial d e puesta a tierra, y 2 ) instalación natural de p u e s t a a tierra, s i e n d o las
p r i m e r a s aquellas instalaciones q u e s e construyen e s p e c í f i c a m e n t e para tal fin, utilizando las
diversas clases d e electrodos d e puesta a tierra. L a segunda, e n c a m b i o , s o n e n realidad
e l e m e n t o s d e otros s i s t e m a s técnicos, p o r e j e m p l o las líneas de tuberías metálicas o de
eléctricos, etc.), vías férreas y hasta vías de a g u a q u e se encuentren dentro del á m b i t o de la
instalación q u e se desea proteger y/o en su proximidad.
La siguiente clasificación que se hará mención aquí es la q u e distingue a las
instalaciones de puesta a tierra: 1) instalaciones de puesta a tierra d e servicio; y 2) sistemas
de tierra de protección. E n este c a s o la primera e s la q u e se aplica para s a t i s f a c e r ciertas
condiciones del servicio del sistema técnico e n cuestión. La segunda, en cambio, e s
indispensable para asegurar q u e durante el traspaso de c o m e n t e a tierra s u s e f e c t o s
fisiológicos n o dañen a los seres vivos q u e e v e n t u a l m e n t e e s t u v i e s e n dentro del á m b i t o del
sistema de tierras o e n su p r o x i m i d a d en esos m o m e n t o s .
2.12 ELEMENTOS
El e l e m e n t o central d e una instalación d e puesta a tierra es el electrodo, q u e es un
e l e m e n t o metálico ( fierro, acero, cobre, aluminio, etc.), por m e d i o del cual se introduce la
corriente a la tierra; los electrodos a d o p t a n f o r m a s g e o m é t r i c a s bien e n s a y a d a s p a r a tal fin y
son: s e m i e s f e r a , varilla (pica, tubo, bastón, etc.), c o n d u c t o r o b a n d a , placa y anillo. Son
c o m p o n e n t e s importantes, por supuesto, los c o n d u c t o r e s d e tierra (los q u e u n e n al elemento
p o r proteger con el electrodo), los c o n d u c t o r e s colectores (los c o n d u c t o r e s q u e unen a varios
electrodos para la o p e r a c i ó n e n paralelo), así c o m o los c o n e c t o r e s d e u n i ó n ( q u e h a c e n
factible la u n i ó n correcta entre los diversos e l e m e n t o s del sistema d e tierra).
2.13 SISTEMAS DE ELECTRODOS
C u a n d o la corriente d e tierras n o es m u y intensa y el e q u i p o o e l e m e n t o s p o r conectar a
tierra n o e s t á n m u y separados entre sí, ni de u n electrodo, la p u e s t a a tierra p u e d e hacerse
por m e d i o d e ese único electrodo, c o n la forma g e o m é t r i c a m á s c o n v e n i e n t e , e s decir, la q u e
o f r e z c a m e j o r eficiencia y requiera un m e n o r gasto; sin e m b a r g o , c u a n d o por el contrario, la
corriente a tierra sea m u y elevada y todos los m e d i o s de servicio y e l e m e n t o s p o r conectar a
tierra estén m u y d e s p a r r a m a d o s s o b r e una superficie m a s o m e n o s e x t e n s a , s e necesita
utilizar varios electrodos y conectarlos d e m a n e r a q u e t r a b a j e n e n paralelo, i n t e g r á n d o s e d e
esta m a n e r a los llamados electrodos múltiples . A s í se integran s i s t e m a s de electrodos c o n
2.14 EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LAS CORRIENTES A TIERRA
Al circular la corriente de tierra por los electrodos es originan e n t r e ellos y en la tierra
q u e los rodea f e n ó m e n o s de naturaleza eléctrica, m a g n é t i c a y térmica. Así p o r e j e m p l o ,
desde el p u n t o de vista de seguridad para las personas, el p o t e n c i a l de electrodo y su
distribución sobre el terreno son el p r o b l e m a central por atender, y a q u e se m a n i f i e s t a c o m o
voltajes de contacto y de paso; tales tensiones no solo les p u e d e n afectar a su salud, sino
hasta ocasionarles la m u e r t e . Se tienen ya d e t e r m i n a d o s valores de g r a d o de peligrosidad de
la corriente sobre el c u e r p o h u m a n o , es decir, los valores de corriente y de v o l t a j e q u e son
peligrosos para él, tales m a g n i t u d e s están ya n o r m a l i z a d a s y sirven d e b a s e p a r a el diseño de
los sistemas de puesta a tierra.
2.15 PROBLEMAS BÁSICOS DE LA RED DE TIERRAS
Durante una falla e n u n a subestación, el flujo de corrientes a tierra p r o d u c e gradientes de
tensión dentro y alrededor de la m i s m a , q u e se m u e s t r a n en la figura para u n a s u b e s t a c i ó n
con una malla de tierra simple, rectangular, en un terreno h o m o g é n e o .
La resistencia que o f r e c e la tierra al p a s o de la c o m e n t e eleva el potencial eléctrico de la
malla y a m e n o s que se tomen p r e c a u c i o n e s a d e c u a d a s e n el d i s e ñ o , los gradientes en toda la
superficie p u e d e n resultar tan grandes e n c o n d i c i o n e s adversas q u e p o n e n e n peligro a
cualquiera q u e c a m i n e p o r ahí. Pueden resultar a d e m á s d i f e r e n c i a s d e tensión peligrosas
durante alguna falla entre estructuras o equipos c o n e c t a d o s a tierra. G e n e r a l m e n t e la
geometría d e un sistema d e tierras e s m a s c o m p l e j a q u e la m o s t r a d a e n la figura y p o r ello
n o resulta fácil precalcularlas, y a q u e t a m p o c o p u e d e n d e t e r m i n a r s e e n f o r m a e x h a u s t i v a las
condiciones del subsuelo.
D e b e hacerse hincapié en q u e contrariamente a ideas g e n e r a l i z a d a s q u e a veces se
expresan, una resistencia b a j a a tierra no e s e n si u n a garantía d e s e g u r i d a d . N o existe u n a
relación simple entre la resistencia del sistema de tierras e n c o n j u n t o y el potencial m á x i m o
del choque q u e pueda sufrirse. U n a estación d e baja resistencia a tierra p u e d e e n o c a s i o n e s
hacerse peligrosa y, por lo contrario estaciones de alta resistencia p u e d e n h a c e r s e seguras
La idea generalizada de que puede tocarse todo objeto conectado a tierra es falsa y
resulta evidente que ella ha sido causa de muchos accidentes.
Por razones económicas se justifica un sistema de transmisión eficazmente aterrizado, lo
que requiere de una conexión a t i e n a adecuada en cada subestación. Debido a que las mallas
de tierra quedan enterradas fuera de la vista, podrían descuidarse durante su vida útil. Es por
esto que uno c o m o ingeniero deberá estipular una red de tierras q u e cumpla con
características mecánicas, eléctricas y químicas para que puedan duran no m e n o s de 30
años.
2.16 VENTAJAS DE UN SISTEMA EFICAZMENTE ATERRIZADO
1).- Costo mínimo de los equipos
2).- Mínima radio interferencia (RIF)
3).- Facilidad de localizar fallas
4).- Aplicación satisfactoria de relevadores
5).- Niveles mínimos de aislamiento ( N B A I ) y de estabilidad
2.17 PROBLEMAS TÍPICOS QUE SE ENCUANTRAN EN EL DISEÑO DE
RFD DE TIERRAS
1) - Valor de Resistencia de tierra alto
2).- Altos gradientes de potencial en la superficie de la tierra
3).- Requerimientos de coordinación de protecciones
4).- Tensiones mayores de inducción electromagnética
5).- Difícil mantenimiento de la i n s i i h c i ó n por estar enterrada
2.18 ASPECTOS SOCIALES Y LOS SISTEMAS DE SEGURIDAD EN LA
TÉCNICA DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA
Dentro de este sector, es valido establecer que por medio de las normas, prescripciones,
1) Proteger la vida de personas y animales útiles
2) C o n s e g u i r la suficiente seguridad de servicio en la p r o d u c c i ó n , transporte y
utilización de la energía eléctrica.
3) Evitar perturbaciones en los equipos q u e sirven c o m o m e d i o s de seguridad en
instalaciones y aparatos d e energía eléctrica.
C o n s e c u e n t e m e n t e , se declara que: " c u a n d o las instalaciones eléctricas y los m e d i o s de
servicios eléctricos son p l a n e a d o s y construidos sin t o m a r e n c o n s i d e r a c i ó n los m e j o r e s
c o n o c i m i e n t o s técnicos disponibles, normas, r e g l a m e n t o s , prescripciones, lincamientos y, en
fin las reglas reconocidas en la técnica y a d e m á s c u n d o a q u e l l o s n o son aplicados ni
utilizados correctamente, se p u e d e n presentar riesgos y p e l i g r o s para las p e r s o n a s y/o
animales útiles, medios d e servicio, edificaciones, p l a n t a s vegetales y hasta para el
ambiente".
D e b e aceptarse q u e m u c h o s accidentes mortales, la d e s t r u c c i ó n de m e d i o s eléctricos d e
servicio, así c o m o la perturbación del grado de fiabilidad en la p r o d u c c i ó n , transporte,
a l m a c e n a m i e n t o y utilización de la energía eléctrica, p u e d e e v i t a r s e si se c o n c i b e y adopta
u n sistema de seguridad, el cual estará constituido p o r c o n o c i m i e n t o s d e diversa naturaleza:
1) científicos y tecnológicos ( electricidad, m e c á n i c a , electrofisiología, etc.); 2) e c o n o m í a ;
3)sociología y sicología; 4) culturales, y 5) normalización.
C u a n d o se trata e n particular de la seguridad de los m e d i o s d e servicios eléctricos, se
utilizan las técnicas: 1) de la protección c o n relevadores eléctricos; 2) de alta tensión
(protección contra s o b r e tensiones, coordinación de aislamiento, etc.); 3) d e la p r o t e c c i ó n
contra r a y o s ( i n t e r c e p t o r e s de rayos, conductores d e tierra o d e b l i n d a j e , la p u e s t a a tierra,
etc.), y 4) de la supervisión y del diagnóstico anticipado. L a s p r i m e r a s bases en
c o n o c i m i e n t o o teorías tecnológicas sustantivas; las s e g u n d a s e n c a m b i o , m á s e n teorías
operativas y de naturaleza empírica. En cuanto a la p e r t u r b a c i ó n del g r a d o d e seguridad del
servicio (disponibilidad, continuidad, etc.), el m e d i o f u n d a m e n t a l lo c o n s t i t u y e la técnica d e
fiabilidad, la cual esta sustentada, por una parte, e n teorías f e n o m e n o l ó g i c a s físico
-químicas, e n teorías d e la electrotecnia y d e la m e c á n i c a técnica y, p o r otra parte, e n teorías
f o r m a l e s de m a t e m á t i c a s ( t e o r í a de la probabilidad).
La seguridad de las p e r s o n a s y/o animales útiles se p e r s i g u e , e n p r i n c i p i o , p o r m e d i o de
requerido, se c o m p l e m e n t a o se aplican ciertas m e d i d a s adicionales directas o indirectas de
protección, según se trate de una instalación de alta o baja tensión. A s í en el caso de
instalaciones de alta tensión, en c a s o necesario se p u e d e utilizar, por e j e m p l o las siguientes
m e d i d a s adicionales indirectas:
- A u m e n t a r la resistividad del suelo e n las zonas peligrosas, a g r e g a n d o una c a p a
de grava suelta ( y a con una c a p a de 0.15 m se c o n s i g u e una suficiente
seguridad).
- U s o de zapatos aislantes, c o n los c u a l e s e n estado s e c o se p u e d e , t e ó r i c a m e n t e
alcanzar una resistencia infinita del c u e r p o , p e r o a ú n h ú m e d o s o f r e c e n u n a
aceptada protección.
- Utilización de g u a n t e s aislantes ( secos y e n b u e n estado) para el c a s o d e
contacto por m e d i o de las manos.
- La delimitación de las zonas peligrosas ( d o n d e se p r e s e n t e n voltajes d e
contacto y/o d e paso peligrosos para los seres vivos).
-Y, aún aplicando alguna m e d i d a de p r o t e c c i ó n d e la técnica d e seguridad
demostrativa, por e j e m p l o avisos de peligro, l l a m a d a s d e atención,
r e c o m e n d a c i o n e s , entre otras.
Si bien todas las m e d i d a s antes citadas utiliza la puesta a tierra, sólo e n la m e d i d a d e
puesta a tierra de protección j u e g a el p a p e l principal; en las restantes m e d i d a s , tiene u n
papel secundario. A s í c u a n d o los requisitos d e puesta a tierra d e p r o t e c c i ó n ( g e n e r a l m e n t e
se quiere un valor m u y p e q u e ñ o d e las resistencias d e p r o p a g a c i ó n del electrodo) n o s e
p u e d e n c o n s e g u i r e n el sitio, se p u e d e utilizar a l g u n a otra d e las siguientes m e d i d a s ,
usualmente j u n t o c o n la puesta a tierra de servicio ( p o r e j e m p l o la p u e s t a a tierra del n e u t r o
del transformador).
E n cualquier f o r m a , se trate d e una instalación d e alta o b a j a tensión, las anteriores
m e d i d a s d e seguridad no solo se d e b e n aplicar sino a d e m á s , integrar para f o r m a r un s i s t e m a
de protección total, e s decir tanto para los m e d i o s eléctricos d e servicio y o t r o s b i e n e s c o m o
para las p e r s o n a s y/o animales útiles. Pero finalmente, el s i s t e m a de p r o t e c c i ó n total d e b e
garantizar la seguridad d e los seres vivos, y ello n o ú n i c a m e n t e d e los q u e s e encuentren
c o n c e p t o m o d e r a d o de sislema de seguridad en una instalación de energía eléctrica de gran
tamaño, involucra los siguientes aspectos:
El análisis de peligros, defectos y fallas.
El m a n e j o del p u n t o estrella del t r a n s f o r m a d o r de p o t e n c i a en las redes trifásicas
de corriente alterna.
Los disturbios y análisis de m a g n i t u d e s d e corto circuito.
La puesta a tierra, la c o n e x i ó n al n e u t r o y otras m e d i d a s de protección
adicionales.
La técnica de la protección c o n relevadores para los m e d i o s de servicio.
La protección contra sobrevoltaje y la coordinación de a i s l a m i e n t o .
La técnica de la protección contra rayos.
La protección de reserva y contra m a n i o b r a s erróneas.
La protección contra incendio y explosión.
La técnica de la fiabilidad.
La técnica de supervisión y el diagnostico anticipado.
La técnica de la seguridad en el trabajo.
D e n t r o de tal sistema total de seguridad, c a d a u n o d e los anteriores c o n c e p t o s p u e d e ser,
e n un m o m e n t o dado, e l e m e n t o integrante o subsistema e n t e r o de s e g u r i d a d .
En consecuencia, un sistema de puesta a tierra de p r o t e c c i ó n es un subsistema d e un
sistema de seguridad o de protección c o m p l e t o . Así, p o r e j e m p l o , e n particular e n los
sistemas de suministro de energía eléctrica c o n el punto estrella p u e s t o a tierra d i r e c t a m e n t e
o indirectamente( e n los cuales se traspasan a tierra, e n c a s o d e falla corrientes de alta
intensidad, durante el diseño de una instalación de p u e s t a a tierra de estaciones y d e
subestaciones, se debe aplicar un e n f o q u e de sistema, c o n el p r o p ó s i t o de lograr la solución
m á s a p r o x i m a d a a la óptima (desde los p u n t o s técnico, social y e c o n ó m i c o ) ; p a r a tal objeto
s e deberá sistematizar la técnica de la protección c o n r e l e v a d o r e s p a r a los m e d i o s eléctricos
d e servicio, a d e c u a d o e n t o n c e s a los tiempos d e a p e r t u r a s d e los interruptores d e potencia
del circuito en cuestión, a los valores d e los voltajes d e c o n t a c t o y / o d e p a s o m á x i m o s
3 RESISTIVIDAD DEL TERRENO
3.1 CONDICIONES DE LOS TERRENOS.
U n o de los tres factores decisivos para el d i m e n s i o n a m i e n t o y c o m p o r t a m i e n t o de u n
s i s t e m a de tierras es la c o n d i c i ó n del terreno a través del cual v a n a circular las líneas de
corriente, ello involucra n o sólo al v o l u m e n de terreno s o b r e el cual esté e m p l a z a d a la
instalación de tierra, sino t a m b i é n el de sus alrededores. E n realidad el t e r r e n o d e b e ser
c o n s i d e r a d o c o m o un sistema geológico y geoeléctrico. El c á l c u l o d e la resistencia a la
p r o p a g a c i ó n de t o d o electrodo (ya sea sencillo o múltiple) se realiza c o n b a s e a cierto valor
de conductividad del terreno, la cual es variable e n un a m p l i o r a n g o ; p o r conveniencia, el
análisis f u n d a m e n t a l se desarrolla s u p o n i e n d o un terreno h o m o g é n e o , e s decir, q u e posee la
m i s m a naturaleza geológica y geofísica e n el v o l u m e n d e tierra ilimitado p o r t o d o s lados e n
el q u e está e m b u t i d o el sistema d e tierra y por el cual las líneas de corriente s e p r o p a g a n , sin
e m b a r g o e n la realidad y e n la mayoría d e los casos, el t e r r e n o es d e n a t u r a l e z a h e t e r o g é n e a ,
lo cual causa q u e el c o m p o r t a m i e n t o del s i s t e m a d e tierras n o resulte s e g ú n el cálculo h e c h o
para terreno h o m o g é n e o , y a q u e el valor de la conductibilidad y a n o c o r r e s p o n d e a tal clase
d e terreno.
Si bien la teoría p e r m i t e llegar a una e x p r e s i ó n m a t e m á t i c a para indagar la conductividad
m a c r o s c ó p i c a , e s en v e r d a d m u y difícil de aplicar e n la práctica; y, p o r o t r o lado, a u n q u e los
e f e c t o s de ciertas heterogeneidades son r e l a t i v a m e n t e s e n c i l l a s d e determinar
n u m é r i c a m e n t e e n electrodos elementales, no resulta así el c a s o d e e l e c t r o d o s múltiples. D e
ahí q u e la ingeniería de puesta a tierra se establezca q u e a ú n c o n la a p l i c a c i ó n d e la m e j o r
a p r o x i m a d o , y que, por tanto, tendrá que ser m e j o r a d o con base a m e d i c i o n e s d e c a m p o y
las m o d i f i c a c i o n e s consecuentes.
Por supuesto los electos de tales heterogeneidades tienen c o n s e c u e n c i a s d i f e r e n t e s sobre
el c o m p o r t a m i e n t o del sistema de electrodos, según se trate de una instalación de puesta a
tierra de pequeña, m e d i a n a o gran dimensión. Por e j e m p l o d u r a n t e el c á l c u l o del sistema de
electrodos para una extensa subestación ( d e extra alta tensión) e s i m p r e s c i n d i b l e una
investigación municiosa del s u b s u e l o del terreno en q u e se e m p l a z a r á , p e r o t a m b i é n d e sus
alrededores; no hacerlo p u e d e d a r lugar a un d i m e n s i o n a m i e n t o e r r ó n e o , es d e c i r q u e resulte
s o b r e d i m e n s i o n a d o o, por el contrario, ineficiente (técnica y socialmente) i n f l u y e n d o , p o r
supuesto, en su costo.
3.2 DEPENDENCIA DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL
TERRENO
C o m o se ha dicho, el valor de la resistencia de puesta a tierra, y t a m b i é n , c o m o se verá
m a s adelante, el reparto de potencial en el suelo c u a n d o el s i s t e m a de puesta a tierra está
recorrido p o r una intensidad d e falla, tienen, f u n d a m e n t a l m e n t e , c o m o factor p r o p o r c i o n a l
determinante la resistencia e s p e c í f i c a o resistividad del t e r r e n o y del s u b s u e l o e n el q u e esta
enterrada. Es p o r esta razón q u e la c o n c e p c i ó n d e u n a red de p u e s t a a tierra requiere,
inicialmente, el análisis de la naturaleza del s u e l o sobre el q u e valla a realizarse y, de ahí la
necesidad de tal estudio c o m o p r i m e r p a s o para realizar el p r o y e c t o d e una instalación de
puesta a tierra.
P u d e parecer q u e la investigación de la naturaleza y de la estructura geológica, para
determinar la variación de la resistividad en f u n c i ó n de la p r o f u n d i d a d es m á s propia de la
geofísica pero n o es así, p u e s si bien para calcular la resistencia d e una t o m a de tierra
puntual es suficiente el conocimiento del perfil de la resistividad a p a r e n t e d e u n terreno, n o
s u c e d e lo m i s m o en el c a s o de una malla d e gran extensión, c o m o la de u n a subestación, por
e j e m p l o .
U n a de las bases necesaria para determinar la c o n f i g u r a c i ó n de u n a r e d m a l l a d a q u e
abarque una gran superficie es el c o n o c i m i e n t o de la resistividad a diversas p r o f u n d i d a d e s .
En efecto, si bien la presencia d e filones p r o f u n d o s m u y resistentes o m u y c o n d u c t o r e s ,
p u e d e tener escasa influencia sobre la resistividad a p a r e n t e del terreno, esas particularidades
que se establezca m á s a flor de la superficie por la d e f o r m a c i ó n q u e p r o v o c a n sobre los
Hieles de corriente. Sin e m b a r g o , las resistividades del terreno en la superficie o en la
p r o f u n d i d a d , raramente se conocen antes del establecimiento de las obras y es frecuente q u e
la realización de las redes de tierras sean las que aporten las p r i m e r a s indicaciones sobre la
calidad de los terrenos c u a n d o , e n buena lógica, debería ser el p r o c e s o inverso el q u e
prevaleciera.
3.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.
Si bien los c o m p o n e n t e s m á s importantes del terreno son, e n e s t a d o seco, aislante 81a
sílice, el ó x i d o de aluminio, etc.), su resistividad d i s m i n u y e r á p i d a m e n t e e n presencia de
sales solubles y de la h u m e d a d .
Por o t r o lado, la c o m p o s i c i ó n de la tierra, incluso e n lugar d e t e r m i n a d o , es m u y
heterogénea, p r e s e n t á n d o s e capas, bolsas, depósitos, etc., tanto horizontal c o m o
verticalmente. L a s zonas superficiales e n q u e se instalan las t o m a s d e tierra t a m p o c o s o n
u n i f o r m e s y, a d e m á s , están a f e c t a d a s f u e r t e m e n t e por los c a m b i o s climáticos, lluvias y
heladas.
T o d o ello hace q u e la resistividad sea m u y variable de un lugar a otro y p u e d a r e s u m i r s e
en q u e la m o d i f i c a n , de m a n e r a m u y notable, los siguientes f a c t o r e s del terreno:
- L a c o m p o s i c i ó n .
- Las sales solubles y su concentración.
- El estado higrométrico.
- L a temperatura.
- L a granulometría.
- L a c o m p a c i d a d .
- La estratigrafía.
3.3.1 COMPOSICIÓN DEL TERRENO
La variación de la resistividad según la c o m p o s i c i ó n del t e r r e n o e s m u y acusada,
tropezándose c o n la dificultad d e q u e las diferentes clases d e terreno n o están d e l i m i t a d a s
c o m o para saber, de a n t e m a n o , el valor de la resistividad e n el p u n t o e l e g i d o para e f e c t u a r la
parajes, la resistividad puede ser sensiblemente diferente. Los valores e x t r e m o s q u e se
encuentran en la práctica pueden variar de algunas d e c e n a s de O h m - m e t r o , para terrenos
orgánicos y húmedos a una docena de miles para granitos secos.
3.3.2 SALES SOLUBLES Y SU CONCENTRACIÓN
Al ser aislantes los principales c o m p o n e n t e s del terreno, la c o n d u c t i b i l i d a d del suelo es,
esencialmente de naturaleza electrolítica, esto, es, la c o n d u c c i ó n de corriente tiene lugar,
principalmente, a través del electrolito f o r m a d o p o r las sales y el a g u a h a b i t u a l m e n t e
contenida en el terreno.
3.3.3 ESTADO HIGROMÉTRICO DEL TERRENO
El contenido de a g u a o grado de h u m e d a d del terreno influye, de f o r m a apreciable sobre
su resistividad. Su valor no es constante, y a q u e varía c o n el clima, é p o c a del año,
naturaleza del subsuelo, la p r o f u n d i d a d considerada y la situación del nivel freático pero
rara vez es nulo, incluso al referirse a zonas desérticas. A m e d i d a q u e el g r a d o d e h u m e d a d
a u m e n t a ( c u y o principal e f e c t o es el de disolver las sales solubles), la resistividad d i s m i n u y e
con rapidez pero, a partir d e c i f r a s del orden del 15 % e n p e s o , esta d i s m i n u c i ó n es m u c h o
m e n o s acusada, a causa de la práctica saturación del terreno.
C u a n d o la h u m e d a d del terreno varíe c o n s i d e r a b l e m e n t e d e u n a s é p o c a s del a ñ o a otras,
se tendrá e n cuenta esta circunstancia al d i m e n s i o n a r y e s t a b l e c e r el sistema d e tierra. Se
podrá usar recubrimientos de gravas c o m o ayuda para c o n s e r v a r la h u m e d a d del suelo.
3.3.4 TEMPERATURA
La resistividad del terreno a u m e n t a a m e d i d a q u e d e s c i e n d e la t e m p e r a t u r a y ese
a u m e n t o se acusa m u c h o , al alcanzarse los 0 °C, hasta el p u n t o q u e , a m e d i d a q u e es m a y o r
la cantidad de a g u a e n estado de congelación, se va r e d u c i e n d o el m o v i m i e n t o de los
electrólitos , q u e c o m o se h a visto, influyen d e c i s i v a m e n t e e n la resistividad del terreno,
elevándose ostensiblemente la m i s m a . Por ello, e n z o n a s c o n peligro d e h e l a d a s , los
electrodos se enterrarán a una p r o f u n d i d a d que no a l c a n c e e s a t e m p e r a t u r a o s e tendrá e n
3.3.5 GRANULOMETRÍA
Es un e l e m e n t o importante q u e influye, a la vez, sobre la porosidad y el p o d e r retenedor
de h u m e d a d y también sobre la calidad del contacto c o n los electrodos, incrementándose la
resistividad con el m a y o r t a m a ñ o de los granos. Esta es la razón d e q u e el valor de la
resistividad de la grava sea superior al correspondiente a la a r e n a y q u e el d e ésta supere al
de la arcilla. Los suelos de granos gruesos se prestan m a l al e s t a b l e c i m i e n t o d e b u e n a s redes
de tierra, circunstancia q u e se p u e d e r e m e d i a r r o d e a n d o la s u p e r f i c i e de los electrodos de un
cierto espesor de tierra fina o de otro material relativamente conductor.
3.3.6 COMPACIDAD
La resistividad se ve t a m b i é n afectada por el g r a d o de c o m p a c t a c i ó n del terreno,
d i s m i n u y e n d o al a u m e n t a r éste.
3.3.7 ESTRATIGRAFÍA
La resistividad total d e un terreno es la resultante d e las c o r r e s p o n d i e n t e s a las diversas
capas q u e lo constituyan. P u e d e suceder q u e u n a sola capa p r e s e n t e u n a resistividad tan baja
q u e la influencia de las d e m á s sea imperceptible, tal c o m o c u a n d o se a l c a n z a n zonas d e
agua o el nivel freático.
Queda, pues, j u s t i f i c a d o q u e la resistividad d e las c a p a s superficiales d e u n terreno
presente variaciones estaciónales b a j o el e f e c t o del h i e l o y la s e q u e d a d (que la a u m e n t a n ) o
de la h u m e d a d (que la disminuye). Esta acción p u e d e h a c e r s e n o t a r hasta u n a p r o f u n d i d a d
de varios metros, en c o n d i c i o n e s climáticas e x t r e m a s y p r o l o n g a d a s .
Puede concluirse e n q u e c l a r a m e n t e s e ve q u e la resistividad del terreno e s u n a magnitud
variable y q u e el único c a m i n o aceptable para c o n o c e r su valor consistirá e n medirla, lo q u e
3.3.8 OTROS FACTORES
La resistividad del suelo es, en ausencia de e f e c t o s secundarios, prácticamente
independiente de la intensidad de corriente que lo recorre.
Existen, sin e m b a r g o , otros factores distintos de los y a e n u m e r a d o s q u e son susceptibles
de modificar apreciablemente la resistividad del terreno p e r o que, p o r su naturaleza
eléctrica, solo pueden surgir posteriormente al e s t a b l e c i m i e n t o de la red d e tierra, tales
como:
- El efecto de gradientes de potenciales elevados.
- El calentamiento del suelo a consecuencia de la circulación de corrientes de puesta a
tierra elevadas o de forma prolongada.
3.4 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DE LA GRAVA DE UNA
SUBESTACIÓN
La resistividad del a g r e g a d o de roca utilizado c o m o a i s l a m i e n t o d e la s u p e r f i c i e e n las
subestaciones eléctricas es un p a r á m e t r o importante en el d i s e ñ o d e los niveles de seguridad
de los voltajes de contacto y de paso. Esta roca presenta los valores m a s b a j o s de
resistividad c u a n d o esta h ú m e d a . El a g u a en la s u p e r f i c i e y e n t r e los p e d a z o s de la roca
forma la trayectoria principal de c o n d u c c i ó n de la corriente eléctrica. A l g o d e la c o n d u c c i ó n
t a m b i é n tiene lugar a través de los p e d a z o s de la roca, p e r o esta d e p e n d e r í a p r o b a b l e m e n t e
de la porosidad y la c o m p o s i c i ó n q u í m i c a . El t a m a ñ o de los p e d a z o s de la roca t a m b i é n
j u e g a un papel importante. Los a g r e g a d o s m a y o r e s t e n d r á n m e n o s p u n t o d e contacto y
m a y o r resistividad h ú m e d a q u e los m a s p e q u e ñ o s del m i s m o material.
Para entender la importancia de la prueba de resistividad h ú m e d a del m a t e r i a l de la
superficie, es necesario ver la e c u a c i ó n utilizada para el v o l t a j e t o l e r a b l e d e c o n t a c t o será
m a s fácil diseñar un sistema de aterrizado seguro. El voltaje tolerable d e c o n t a c t o es:
l'H es la resistividad húmeda del material de la superficie, lista ultima varia en cuatro
ordenes de magnitud, desde 10 O h m - m e t r o o m e n o s para a l g u n o s tipos de suelos h ú m e d o s ,
liasla mas de 10,000 O h m - m e t r o para una capa de asfalto.
Ya q u e se ha postulado q u e la conducción eléctrica de una roca h ú m e d a d e p e n d e del
grado de saturación d e esta y de la resistividad del agua, se desarrollo un e x p e r i m e n t o para
p r o b a r esta relación.
3.4.1 MÉTODO
La instalación experimental consistió en un cilindro de plástico d e seis p u l g a d a s de alto
y 11.75 pulgadas de diámetro, c o n uno de sus e x t r e m o s abiertos fijo a una b a s e plana
metálica. El cilindro se lleno con un agregado grueso lavado de a l " .
La roca utilizada f u e granito. El e x t r e m o superior s e n i v e l o y se c u b r i ó c o m p l e t a m e n t e
con capas d e laminas delgadas de aluminio. S e utilizo una almohadilla s u a v e y c o n p e s o de
10 kg para presionar las laminas delgadas contra la roca.
Después de la instalación, se quitaron el peso, la almohadilla y las l a m i n a s y se
h u m e d e c i ó la roca c o n a g u a de resistividad conocida. El a g u a se vertió sobre la roca,
permitiendo que se filtrara a través de la muestra y se recolecto e n u n a charola colocada e n
la parte inferior de la base metálica. Esta a g u a recolectada se vertió n u e v a m e n t e sobre la
roca. Este p r o c e s o se repitió por a p r o x i m a d a m e n t e 10 a 20 m i n u t o s hasta q u e la roca
estuviera c o m p l e t a m e n t e h ú m e d a . S e colocaron n u e v a m e n t e las laminas, la almohadilla y el
p e s o sobre la parte superior d e la roca h ú m e d a . Se utilizo un m e d i d o r de resistividad d e
tierra para m e d i r la resistencia de la roca h ú m e d a 10 m i n u t o s d e s p u é s de m o j a r por ultima
v e z la muestra. La resistividad de la roca se calcula a partir de m e d i c i o n e s de sete
parámetro.
Se utilizo a g u a d e diferentes conductibilidades c a d a v e z para h u m e d e c e r la roca. L o s
valores de esta conductividad fueron: 20-, 40-, 93-, 158-, 323-, 880-, y 1750- m i c r o
O h m s / c m . Se c o m e n z ó el e x p e r i m e n t o utilizando la s o l u c i ó n de 20- O h m s / c m y cada v e z
una de m a y o r conductividad; el e x p e r i m e n t o se repitió c a d a v e z para a s e g u r a r q u e la
preparo con cloruro de potasio y las condu^iividades se midieron utilizando dos diferentes
medidores.
3.4.2 OBSERVACIONES Y RESULTADOS
La primer observación fue que resistencia de la masa de la roca húmeda vario con la
instalación del experimento. Se obtuvo una medición diferente de la resistencia cada vez
que se dreno la roca y se lleno el cilindro con la misma muestra de roca. Repitiendo este
procedimiento 27 veces con la misma muestra, se midieron valores de resistencia entre 6779
y 7825 Ohms, una dispersión del 14 %. Esta variación fue debida al diferente arreglo de los
pedazos de la roca en las diferentes instalaciones.
Debido a esta variación, se utilizo la misma instalación experim ntal para el resto del
experimento cuando se estaban comparando las resistividades de la roca debidas a diferentes
resistividades del agua. Cada vez, se enjuago la instalación con agua nueva. Por tanto el
arreglo de las rocas no se cambio de un experimento a otro, (el volumen escurrido se
recolecto y se reutilizo en el enjuagado. Esto se repitió aproximadamente 20 veces.)
El cilindro tenia 11.75 pulgadas de diámetro y seis de altura. La resistividad de la roca
húmeda esta dada por:
P - 0.459 R
D o n d e ,
P - esist. idad en Ohm-metro y
r '^tenua mecida . n h m s .
La segu da observación fue que la re-, ».ten > de la i n f l a c i ó n o montaje se incremento
a medida que el agua drenaba de entre la tea. P">r tanto, i esotros utilizamos los valores de
resistividad calculados para el mismo tiempo transcurrido.
Se midió la conductividad final del volumen escurrido de cada experimento y
