Puesta a tierra y EMC

Puesta a tierra

y EMC

Sistemas de Puesta a Tierra

Fundamentos de Cálculo y Diseño

P

uesta a tierr

a y EMC

6.3.1

Sistemas de Puesta a Tierra

Fundamentos de Cálculo y Diseño

Prof Henryk Markiewicz & Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology

Junio 2003

Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de la Energía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por la Comisión Europea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Para más información sobre LPQI visite www.lpqi.org.

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Sistemas de Puesta a Tierra – Fundamentos de Cálculo y Diseño

Introducción

La Sección 6.1 de esta Guía ofrece un resumen de los requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra, y analiza la necesidad de una solución sistemática para su diseño, refiriéndose a los aspectos relativos a la instala-ción eléctrica en edificios. Esta nota de aplicainstala-ción estudia el diseño del sistema de electrodos de tierra, mientras que la Sección 6.5.1 proporciona una guía práctica sobre el diseño y el cálculo de electrodos de tierra.

Un sistema de puesta a tierra, llamado a veces sencillamente “puesta a tierra”, es el conjunto de medidas que se han de tomar para conectar una pieza eléctricamente conductora a tierra. El sistema de puesta a tie-rra es una parte esencial de las redes de energía, tanto en los niveles de alta como de baja tensión. Se nece-sita un buen sistema de puesta a tierra para:

 la protección de edificios e instalaciones contra rayos;

 la seguridad de vidas humanas y animales, limitando las tensiones de paso y de contacto a valores seguros;

 la compatibilidad electromagnética (EMC), esto es, para la limitación de las perturbaciones elec-tromagnéticas;

 el correcto funcionamiento de la red de suministro de electricidad y para asegurar una buena cali-dad de la energía.

Todas estas funciones las ha de desarrollar un único sistema de puesta a tierra, que deberá diseñarse para cumplir todos los requisitos. Algunos elementos de un sistema de puesta a tierra pueden disponerse para que cumplan una finalidad específica, pero sin embargo forman parte de un único sistema de puesta a tie-rra. Las normas exigen que todos los elementos de puesta a tierra de una instalación estén conectados en-tre sí, formando un sistema.

Definiciones básicas [1,2]

Puesta a tierra o sistema de puesta a tierra es el conjunto de todos los medios y procedimientos por los

que una parte de un circuito eléctrico, las partes conductoras accesibles de los equipos eléctricos (partes metálicas descubiertas) o partes conductoras próximas a una instalación eléctrica (partes metálicas ajenas a la propia instalación eléctrica) se conectan a tierra.

Electrodo de tierra es un conductor metálico, o un sistema de conductores metálicos interconectados, u

otras piezas metálicas que actúan del mismo modo, empotradas en el suelo y en contacto eléctrico con el mismo, o empotradas en hormigón, que esté en contacto con la tierra en una gran superficie (p.ej., los ci-mientos de un edificio).

Conductor de puesta a tierra es el conductor

que conecta una parte de una instalación eléc-trica, las partes conductoras accesibles o las ma-sas metálicas ajenas a dicha instalación a un electrodo de tierra, o que interconecta varios elec-trodos de tierra. El conductor de puesta a tierra se coloca sobre el suelo o, si está enterrado, está aislado del terreno.

Tierra de referencia es la parte del terreno, en

es-pecial sobre la superficie, situado fuera del área de influencia del electrodo de tierra considerado, es

Figura 1 - Diagrama ilustrativo del concepto físico de la resistividad del terreno ρ

decir, entre dos puntos cualesquiera entre los que no existe una tensión perceptible, como resultado del flu-jo de corriente de puesta a tierra a través de este electrodo. Se considera que el potencial de la tierra de re-ferencia es cero.

Tensión de puesta a tierra (potencial de puesta a tierra) V_Ees la tensión que aparece entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia, cuando un determinado valor de la corriente de tierra fluye a través del sistema de puesta a tierra.

Resistividad del terreno ρ (resistencia específica del terreno) es la resistencia, medida entre dos caras

opuestas de un cubo del terreno de un metro de arista (Figura 1). La resistividad del terreno se expresa en Ωm.

Potencial superficial de tierra V_xes la diferencia de tensión entre un punto x sobre la superficie del terre-no y la tierra de referencia.

Características eléctricas del terreno

Las características eléctricas del terreno vienen definidas por la resistividad del terreno ρ. A pesar de la de-finición relativamente sencilla de ρ que se acaba de ofrecer, a menudo, la determinación de su valor es una tarea complicada por dos motivos fundamentales:

 el terreno no tiene una estructura homogénea, sino que está formado por capas de diferentes ma-teriales;

 la resistividad de un tipo dado de terreno varía mucho (Tabla 1) dependiendo del contenido de hu-medad.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra requiere un buen conocimiento de las características del sue-lo, en particular su resistividad ρ. Por ello, la gran variabilidad del valor de ρ supone un problema. En la práctica se suele considerar una estructura del terreno homogénea con un valor medio de ρ, que se estima sobre la base de un análisis del suelo o por mediciones específicas. Se han establecido unas técnicas para medir la resistividad del terreno. Un punto importante es que la distribución de corriente en las capas del suelo usadas durante las mediciones debería ser similar a la de la instalación final. En consecuencia, los re-sultados de las mediciones deben interpretarse siempre con cuidado. Cuando no se disponga de informa-ción sobre el valor de ρ, se supondrá que ρ = 100 Ωm. No obstante, tal como indica la Tabla 1, el valor real puede ser muy distinto, por lo que debe realizarse un ensayo de verificación a la terminación de la instala-ción, además de tomar en consideración las probables variaciones futuras debidas a las condiciones cli-matológicas y durante la vida útil de la instalación.

Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso en

Tipo de terreno Resistividad del terrenoρ [Ωm]

Margen de valores Valor medio

Terreno pantanoso 2 - 50 30

Barro mezclado con paja 2 - 200 40

Terreno fangoso y arcilloso, humus 20 - 260 100

Arena y terreno arenoso 50 - 3.000 200 (húmedo)

Turba > 1.200 200

Grava (húmeda) 50 - 3.000 1.000 (húmedo)

Terreno pedregoso y rocoso 100 - 8.000 2.000

50 - 300 150

Tabla 1 - Resistividad del terreno ρ para varios tipos de suelo y hormigón [2.3]

Hormigón:

1 parte de cemento + 3 partes de arena

Otro problema a la hora de determinar la resistividad del suelo es el contenido de humedad, que puede cambiar dentro de un amplio margen, dependiendo de la situación geográfica y de las condiciones del cli-matológicas, desde un bajo porcentaje para regiones desérticas hasta aprox. un 80% para regiones panta-nosas. La resistividad del terreno depende en gran parte de este parámetro. La Figura 2 ilustra la relación entre resistividad y humedad para arcilla. Se puede observar que, para valores de humedad superiores al 30%, los cambios de ρ son muy pequeños y poco sig-nificativos. Sin embargo, cuando el suelo está seco, es decir, con valores de h inferiores al 20%, la resistividad aumenta muy rápidamente.

En regiones de clima templado, por ejemplo en los países europeos, la resistencia de puesta a tierra cambia de acuerdo con la estación del año, debido a la dependencia de la resistividad del terreno de la humedad del suelo. Para Europa, esta dependencia tiene una forma casi senoidal, con un valor máximo de la resistencia de puesta a tierra se produce en Febrero y un valor mínimo en Agosto. Los valores medios se presentan en Mayo y Noviembre. La amplitud en Febrero es aproximadamente un 30% mayor que la media, mientras que en agosto es aprox. un 30% menor que la media [4].

Debe recordarse que la acción de las heladas es semejante al secado —la resistividad aumenta notable-mente.

Por estas razones, los cálculos de resistencia de tierra y la previsión de electrodos sólo pueden realizarse con un nivel limitado de precisión.

Propiedades eléctricas del sistema de puesta a tierra

Las propiedades eléctricas de una puesta a tierra dependen esencialmente de dos parámetros:

 resistencia de puesta a tierra;

 configuración del electrodo de tierra.

La resistencia de la puesta a tierra determina la relación entre la tensión de tierra V_Ey el valor de corriente de tierra. La configuración del electrodo de tierra determina la distribución del potencial sobre la superfi-cie del terreno, que se produce como resultado de la circulación de corriente en la tierra. La distribución del potencial sobre la superficie del terreno es un tema importante a considerar a la hora de valorar el grado de protección contra descargas eléctricas, ya que determina los potenciales de contacto y de paso. Estas cues-tiones se analizan brevemente a continuación.

La resistencia de la puesta a tierra tiene dos componentes:

 resistencia de disipación R_D, que es la resistencia del terreno entre el electrodo de tierra y la tierra de referencia;

 la resistencia R_Lde las piezas metálicas del electrodo de tierra y del conductor de puesta a tierra.

La resistencia R_Les normalmente mucho menor que la resistencia de disipación R_D. Por ello, normalmen-te se estima que la resisnormalmen-tencia de puesta a tierra es igual a la resisnormalmen-tencia de disipación R_D. En la bibliografía relativa, al mencionar: “resistencia de puesta a tierra” se alude normalmente a la resistencia de disipación.

Cualquier conexión de tierra facilitada por el suministrador aparece en paralelo con la puesta a tierra local y puede esperarse que presente una impedancia inferior a frecuencias fundamentales y armónicas. Sin em-bargo, la disponibilidad y las características de esta ruta están más allá del control del proyectista, y por ello Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso en

función de la humedad del suelo h

no deberá considerarse en el diseño del sistema de puesta a tierra, que será el adecuado para la finalidad requerida por la propia instalación.

Resistencia de puesta a tierra y distribución del potencial

En los circuitos de corriente alterna, esencialmente se tiene en cuenta la impedancia Z_Ede puesta a tierra, que es la impedancia entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia a una frecuencia de funcio-namiento dada. La reactancia del sistema de puesta a tierra es la reactancia del conductor de puesta a tie-rra y las partes metálicas del electrodo de tietie-rra. A frecuencias bajas —la frecuencia de alimentación y los armónicos asociados— esta reactancia es con frecuencia despreciable en comparación con la resistencia de puesta a tierra, pero debe tenerse en cuenta para altas frecuencias tales como los transitorios debidos a descargas eléctricas. Por ello, para bajas frecuencias se supone que la impedancia de puesta a tierra Z_Ees igual a la resistencia de disipación RD, que a su vez se supone que es aproximadamente igual a la resisten-cia de puesta a tierra, R:

ΖΕ ≈ RD≈ R

La resistencia de puesta a tierra R de un electrodo de tierra depende de la resistividad del terreno ρ, así como de la geometría del electrodo. Con objeto de obtener valores bajos de R, la densidad de corriente que circula entre el metal del electrodo y la tierra debe ser baja,

es decir, el volumen de tierra a través del cual fluye la corriente debe ser lo más elevado po-sible. Cuando la corriente pasa desde el metal hasta el terreno se dispersa, reduciéndose la densidad de corriente. Si el electrodo es física-mente pequeño, p.ej., un punto, este efecto es grande, pero se reduce mucho para una lámi-na, en donde la dispersión sólo es efectiva en los bordes. Esto significa que los electrodos de barra, tubo o hilo tienen una resistencia de di-sipación mucho menor que, por ejemplo, un electrodo de lámina con la misma área super-ficial. Además de esto, está bien documentado en la bibliografía que la corrosión inducida por las corrientes c.c. y c.a. aumentan con la densidad de corriente. Una baja densidad de corriente prolonga la vida del electrodo.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se realiza normalmente suponiendo que el terreno es ilimitado y de estructura uniforme, con un valor dado de resistividad. Sería posi-ble obtener unas ecuaciones exactas para la determinación de la resistencia de puesta a tierra pero, en la práctica, su utilidad sería muy limitada, en especial en el caso de elec-trodos de tierra complejos y mallados, en los que las relaciones matemáticas se hacen muy complicadas. Asimismo, incluso una peque-ña imprecisión en el valor de la resistividad tiene una influencia decisiva en el valor de la resistencia de tierra real de electrodos de tierra mallados, y a menudo es muy difícil determinar la resistividad terrestre con la

∆ V* T ∆ V* S

Figura 3 - Ilustración de la noción de un electrodo hemisférico, mostrando los parámetros necesarios para

calcular la resistencia de tierra y la distribución del potencial en la superficie del terreno (con ρ = const)

r Radio del electrodo

x Distancia al centro del electrodo

aT, aS Distancias respectivas de contacto y paso

V* _{Valor de la distribución de potencial}

∆V*T, ∆V*S Valores respectivos de las tensiones de contacto

precisión necesaria. Por estas razones, normalmente se usan ecuaciones teóricas exactas para la determi-nación de la resistencia de puesta a tierra, solamente para estructuras sencillas de electrodos de tierra, con el fin de ilustrar la relación entre la tensión de tierra, la distribución del potencial en el terreno y la corriente de tierra. Para electrodos de tierra extendidos y mallados se usan aproximaciones para el cálculo de la re-sistencia del terreno.

Un modelo básico de la configuración del electrodo de tierra, que se usa para ilustrar las propiedades eléc-tricas fundamentales, es un hemisferio embebido en la superficie terrestre (Figura 3). Se supone que, la co-rriente de tierra que circula desde un electrodo de este tipo, fluye radialmente hacia el terreno. Se supone que son equipotenciales tanto la superficie del hemisferio, así como las de todas las secciones transversa-les hemisféricas d_xdel terreno, por tanto las líneas de corriente son perpendiculares a estas superficies. En estas condiciones, la resistencia del elemento hemisférico de espesor dxy radio x se expresa de la forma

si-guiente (con ρ constante):

La resistencia del electrodo de hemisferio-tierra viene dada por:

La resistencia de la tierra depende mucho de cuan profundamente se haya enterrado el electrodo en el terreno. Esto se debe a que el contenido de humedad es mayor y más estable para capas profundas del terreno que para capas más superficiales. Las capas próximas a la superficie sufren más los efectos de las variaciones estacionales y, a corto plazo, de la climatología y pueden sufrir heladas. Este problema se ilustra en la Figura 4, para un electrodo de tierra de barra, en donde puede verse la considerable reduc-ción de la resistencia terrestre conforme aumenta la profundidad de un electrodo de pica. Sin embargo, no siempre es posible colocar electrodos a la profundidad deseada por motivos geológicos, por ejemplo, cuando existen rocas u obstrucciones cerca de la superficie, o cuando el sistema de electrodos cubre una gran área.

Pueden distinguirse distintos tipos de electrodos de tierra, ta-les como:

 electrodos de tierra superficiales sencillos, formados por pletinas o cables desnudos tendidos horizontalmente, ya sea conectados por un solo extremo o cerrados en anillo;

 electrodos mallados, estructurados como una rejilla colocada horizontalmente a poca profundidad;  cable con cubierta metálica al descubierto o armadura,

cuyo comportamiento es similar a un electrodo de tie-rra de tipo pletina;

 electrodos de tierra en cimientos, formados por piezas estructurales conductoras, embebidos en los cimien-tos de hormigón, que proporcionan una gran superfi-cie de contacto con el terreno;

 picas, que pueden estar formadas por un tubo, una ba-rra, etc. y se sitúan o entierran a una profundidad ma-yor de 1 m, normalmente con una longitud de 3 m a 30 m o más.

(2)

RD(Ω)

Figura 4 - Ejemplo de la resistencia de disipación de un electrodo de tierra constituido por una barra de longitud

progresivamente creciente R_D, en función de la profundidad d dR = ——— dxρ 2 π . x2 (3) R = ——— ρ



Los cuatro primeros dispositivos son electrodos de tierra superficiales, normalmente constituidos por pie-zas de cables o pletinas, dispuestos como electrodos radiales, anulares o mallados, o una combinación de los mismos, enterrados a una profundidad reducida de aprox. 1 m. Una ventaja importante de estas es-tructuras es la favorable distribución de potencial en la superficie. Las picas o electrodos de barra pertene-cen a los llamados electrodos de profundidad; la ventaja de estos es que pasan a través de capas del suelo de diferente conductividad, y son particularmente adecuados en lugares en donde las capas inferiores pre-sentan una mala conductividad. De esta forma es posible obtener una resistencia de electrodo adecuada (Figura 4). Otra ventaja de las picas es que pueden instalarse en lugares en los que se dispone de una su-perficie reducida para instalar el electrodo. Sin embargo, la distribución del potencial en la susu-perficie del terreno con electrodos del tipo “pica” no es favorable, por lo que en la práctica se usa una combinación de electrodos de barra y tierra superficial mallada, con objeto de obtener una buena resistencia además de una distribución deseable del potencial de superficie. La distribución de este potencial de superficie se trata en la siguiente sección.

En la Sección 6.5.1 se ofrecen descripciones más detalladas y las ecuaciones básicas relación a la resisten-cia de tierra de los electrodos más habituales.

Tensión de puesta a tierra y distribución del potencial superficial

La tensión de puesta a tierra, así como la distribución del potencial de superficie durante la circulación de corriente por el sistema de puesta a tierra, son parámetros importantes para la protección contra descargas eléctricas. Las relaciones básicas se muestran en el modelo de puesta a tierra indicado en la Figura 3.

El potencial de cualquier punto situado a una distancia x desde el centro del electrodo de tierra, por el que circula la corriente de tierra I_E, puede formularse con la siguiente ecuación:

y su valor relativo:

en donde V_Ees la tensión de puesta a tierra, que es equivalente al potencial de puesta a tierra (suponiendo que el potencial de la tierra referencia sea igual a cero). El potencial de puesta a tierra puede describirse de la forma siguiente:

La diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie del terreno: uno a una distancia x y otro a una distancia x + aSen donde se supone que aSes igual a 1 metro, ilustra la tensión de paso ∆VSes decir, el

potencial de la superficie terrestre que existe entre dos pies de una persona que está de pie en esa posición sobre la superficie del terreno:

y su valor relativo: en donde x ≥ r. (4) Vx= ——— ρΙΕ 2 πx (4a) V_x= ——— Vx VE (5) VE=IERE = —— ρΙΕ 2 πr (6) V_S=—— — - ——ρΙΕ 2 π 1 1 x x + a_S





Puede describirse una relación similar para cualquier otra distancia x y a. En particular para x = r y a = aT= 1m, la fórmula (6) permite el cálculo de la tensión de contacto, es decir, la tensión entre la palma de la ma-no y el pie de una persona que está justo tocando el electrodo de tierra o partes metálicas conectadas al mismo:

y su valor relativo:

Una ilustración práctica de las tensiones de contacto y de paso se muestra en la Figura 5. Las personas A y B están sujetas a la tensión de contacto, mientras que la persona C está sometida a la tensión de paso. La tensión de contacto V_Tse diferencia a veces de la tensión de contacto de choque eléctrico V_TS, (y la tensión de paso VSde la tensión de paso de choque eléctrico VSS) Las tensiones VTy VSson los valores

pu-ros resultantes de la distribución de potencial, mientras que V_TS y V_SS tienen en cuenta los pequeños cambios de la distribución de potencial, debidos a la circulación de las corrientes de choque eléctrico, es decir, incluyendo el efecto perturbador del flujo de corriente a través de la persona. En la práctica, la di-ferencia entre VSy VSSo VTy VTSson normalmente muy pequeños, por lo que se adoptan los mismos

va-lores para los potenciales respectivos: V_S ≈ V_SSy V_T≈ V_TS. El lado izquierdo de la Figura 5 muestra la

si-tuación para un electrodo de pica, mientras que el lado derecho muestra la de un elec-trodo mallado. El elecelec-trodo de pica (1) tiene una baja resistencia pero presenta una dis-tribución de potencial muy desfavorable, mientras que el electrodo mallado (2) tiene un perfil de potencial de tierra más plano. El potencial de contacto (persona A) es consi-derablemente mayor para el electrodo de pi-ca (1) que para el mallado (2), (persona B). Los potenciales de paso (persona C) también son menos peligrosos en el caso del electro-do mallaelectro-do.

Cuando no es posible proporcionar una tie-rra mallada, un electrodo anular (como es práctica común en Bélgica y Alemania, por ejemplo), proporciona una solución inter-media que combina un coste y una seguridad razonables.

La resistencia de puesta a tierra determina el valor de la tensión de puesta a tierra, mientras que la configuración del electrodo de tierra tiene una notable influencia en la distribución de potencial sobre la superficie del terreno. Como es natural, esta configuración influye también en la resistencia de puesta a tierra –—un electrodo mallado hace contacto con un mayor volumen de tierra— por lo que la re-sistencia y la configuración deben considerarse

SPD pica (1)

SPD mallado (2)

Figura 5 - Comparación de la distribución de la tensión superficial del terreno (SPD) durante un flujo de corriente en el Sistema de Puestas a Tierra, para dos

tipos de electrodos de tierra

1 Pica

2 Mallado

V_E Tensión de puesta a tierra

V_T, V_TS Tensión de contacto y de choque eléctrico por contacto, respectivamente

V_S, V_SS Tensión de paso y de choque eléctrico de paso, respectivamente

IT Corriente de choque eléctrico por contacto

Ik Corriente de cortocircuito igual a la corriente que circula por el sistema de puesta a tierra

A, B, C Personas sometidas a diferentes tensiones de superficie (7) VT=—— — - —— ρΙΕ 2 π 1 1 r r + a_T





conjuntamente. Obsérvese que, debido a que los sistemas de electrodo mallado cubren grandes áreas, no es práctico enterrar-los profundamente, con lo que serían más sensibles a enterrar-los cam-bios en el contenido de humedad del suelo. Puede obtenerse una mejor estabilidad de la resistencia si se incluyen varias barras verticales en la malla.

Los electrodos mallados aumentan el área superficial, que sufre un aumento de tensión como resultado del flujo de corriente hacia el electrodo de tierra. Sobre el área de la malla existe una “superficie equipotencial”, pero en la periferia del electrodo se presenta un gradiente de potencial, según se muestra en la Figura 6a. Aunque no existe potencial de contacto —porque la malla se extiende más allá de cualquier estructura metálica en más de un metro— pueden producirse peligrosas tensiones de paso. Esta situación puede surgir, por ejemplo, en el sistema de puesta a tierra de una subestación. Con objeto de evitar este fe-nómeno, los elementos exteriores del electrodo de tierra malla-do deben colocarse a una mayor profundidad que el resto de la rejilla (Figura 6c).

Propiedades de la puesta a tierra con pulsos de

corriente elevados

Hasta ahora se han analizado las características de los sistemas de puesta a tierra suponiendo que una corriente moderada cir-cula en condiciones constantes a la frecuencia de la red. Las di-ferencias entre las propiedades de un sistema de puesta a tierra para corrientes normales o impulsos se deben principalmente a:

 circulación de corrientes con valores muy elevados, de hasta algunos cientos de kA;0

 fuertes incrementos de corriente en tiempos muy cortos —el caso típico de impactos de rayos que alcanzan algunos cientos de kA/µs.

Una densidad de corriente extremadamente elevada en el suelo aumenta el valor del campo eléctrico en el terreno hasta el extremo de producir descargas eléctricas en pequeñas oquedades gaseosas, reduciendo la resistividad del terreno y la resistencia de puesta a tierra. Este fenómeno se produce principalmente cerca del electrodo de tierra, en donde la densidad de corriente

es máxima, y su influencia es más destacada. La intensidad de este fenómeno es especialmente notable cuando el sue-lo está seco o presenta una elevada resistividad.

La inductancia de las piezas metálicas de los electrodos metálicos, que puede estimarse de 1 µH/m, no se tiene en cuenta habitualmente a la hora de considerar la impedan-cia del terreno a la frecuenimpedan-cia de red. Sin embargo, esta in-ductancia se convierte en un parámetro importante cuan-do es elevada la rapidez de respuesta de la corriente, en la región de cientos de kA/µs o más. En el caso de impactos de rayos, la caída de tensión inductiva (Lxdi/dt) alcanza valo-res muy elevados. En consecuencia, las piezas remotas del electrodo de tierra juegan un papel reducido a la hora de conducir la corriente hasta la tierra.

Figura 6 - El fenómeno del potencial remanente. Distribución del potencial

superficial del terreno para dos tipos de electrodos mallados

a) Electrodo mallado plano b) Planta del electrodo

c) Electrodo con los elementos periféricos situados a mayor profundidad que los centrales.

Figura 7 - Máxima longitud l_maxde los elec-trodos de tierra frente al rayo en función de

la resistividad del terreno y ρ

l max

(m)

La resistencia del terreno para las corrientes pulsantes aumenta en comparación con su resistencia para condiciones estáticas. Por este motivo, el aumento de la longitud de los electrodos de tierra por encima de la llamada longitud crítica (Figura 7) no provoca ninguna reducción de la impedancia terrestre frente a los transitorios.

Durante la caída de un rayo, los dos fenómenos descritos anteriormente tienen influencia, pero actúan en sentidos opuestos. La elevada corriente de tierra reduce la resistencia óhmica, mientras que la alta fre-cuencia aumenta la reactancia inductiva. La impedancia global puede ser mayor o menor, dependiendo de qué efecto es el dominante.

Conclusiones

La resistencia de puesta a tierra y la distribución de potencial de la superficie del terreno son los paráme-tros principales que caracterizan las propiedades eléctricas de un Sistema de Puesta a Tierra.

Los parámetros eléctricos del sistema de puesta a tierra dependen de las propiedades del terreno y de la geometría del electrodo de puesta a tierra. Las propiedades del suelo están caracterizadas por la resistivi-dad terreno, que cambia dentro un amplio margen desde unos pocos Ωm a varios miles de Ωm, depen-diendo del tipo de terreno y de su estructura, así como de su humedad. Como resultado de esto, es difícil calcular un valor exacto de la resistencia de puesta a tierra. Todas las comunicaciones que describen la re-sistencia de puesta a tierra se basan en la suposición de que la tierra tiene una estructura homogénea y una resistividad constante.

En el caso ideal, el potencial de la superficie del terreno debería ser plano en el área que circunda al elec-trodo de tierra. Esto es importante para la protección contra las descargas eléctricas, pues determina las tensiones de paso y contacto. Las picas tienen una distribución del potencial superficial muy desfavorable, mientras que los electrodos mallados presentan una distribución mucho más plana.

Es necesario tener en cuenta el comportamiento del sistema de puesta a tierra para corrientes transitorias elevadas. Unos valores de corriente muy elevados reducen la resistencia de puesta a tierra, a causa del fuer-te campo eléctrico entre el electrodo de tierra y el suelo, mientras que unos cambios rápidos de corrienfuer-te aumentan la impedancia de puesta a tierra, a causa de la inductancia del electrodo de tierra. La impedan-cia de puesta a tierra es, en este caso, una superposición de estos dos eventos.

Referencias

[1] HD 637 S1 ‘Power installations exceeding 1 kV a.c’, 1999.

[2] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

[3] IEC-364-5-54 (UNE 20460-5-54, 1990) “Instalaciones eléctricas en edificios - parte 5: elección e instalación de los materiales eléctricos - capítulo 54: puesta a tierra y conductores de protección”.

[4] Rudolph W., Winter O. EMV nach VDE 0100. Schriftenreihe 66. VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1955.

(Nota.- La norma alemana VDE 0100 corresponde a la IEC-364 que, a su vez ha sido publicada en España por AENOR como UNE 20460).

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