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EL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA(PARTE 1 DE 2)
Ing. José Luis Falcón Chávez Abril de 2016
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Aviso Importante:
Esta presentación fue elaborada por Soluciones Integrales en Alta Tecnología (SIATSA)
en colaboración con Procobre Centro Mexicano de Promoción del cobre A.C., con el
propósito de difundir y diseminar diferentes aspectos relacionados con ventajas y
beneficios para quienes adopten o implementen lo aquí expuesto. Se preparó y revisó por
personas conocedoras del tema, sin embargo, el Centro Mexicano de Promoción del
Cobre y otros organismos participantes no se responsabilizan de su aplicación ni de la
profundidad en relación a su contenido, ni por cualquier daño directo, incidental o
consecuencial que pueda derivarse del uso de la información o de los datos aquí
mostrados.
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En toda instalación eléctrica es necesario garantizar la seguridad de las
personas que harán uso de ella o que estarán en su cercanía. El sistema de
tierra* es un medio para tratar de alcanzar esa seguridad.
La instalación puesta a tierra tiene como misión establecer contacto físico con
ella, se logra con el:
Introducción
ELECTRODO** DE PUESTA A TIERRA
* conjunto de conductores, electrodos, accesorios y otros elementos metálicos enterrados…
(4.10 de NOM-022-STPS-2010).
** Electrodo: cuerpo metálico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados, en contacto
último con el suelo y destinados a establecer una conexión con el mismo.
(250-52 de NOM-001-SEDE-2012).
La Instalación eléctrica
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- Legislación eléctrica: cumplimiento normativo.
- Proteger personas y otros seres vivos: manteniendo cubiertas y gabinetes
metálicos de equipo eléctrico a un mismo potencial.
- Asegurar operación de dispositivos de protección: por falla de aislamiento y
contacto accidental con líneas electrificadas.
- Limitar el nivel de tensión: descargas atmosféricas y electrostáticas.
- Reducir acoplamiento electromagnético: entre equipo y líneas eléctricas.
- Protección y desempeño de equipo de operación eléctrica: manteniendo una
tensión referencial al mismo.
Razones de puesta a tierra de sistemas y equipo eléctrico
Introducción
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Introducción
- La tierra: el terreno natural.
- El electrodo de puesta a tierra: varilla, tubo, banda, placa, anillo.
- El conductor de puesta a tierra.
- El equipo o sistema puesto a tierra.
- Conductor de electrodo.
Sistema de tierra física, componentes
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La composición de la tierra es variable, pueden observarse capas y depósitos de
diferente material, horizontal y vertical.
La zona superficial (no profunda), donde se instala el electrodo, se afecta por:
lluvia, helada, erosión.
Modificadores de la resistividad del terreno:
- Composición, su naturaleza.
- Sales solubles y su concentración, la conductividad es electrolítica.
- Higrometría, contenido de agua o grado de humedad.
- Granulometría, cantidad de contacto con el electrodo.
- Compacidad, la resistividad disminuye al compactar el terreno.
- Estratigrafía, capas de diferente material que lo constituye.
Resistividad del terreno
Resistividad del terreno
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La resistividad es determinante para el valor de la resistencia a tierra del
electrodo. Es una propiedad del terreno.
La composición del suelo, las sales y minerales disueltas en él y la época del
año (humedad y temperatura) son variables que influyen en su valor.
Sus propiedades geotécnicas también influyen en su valor, permeabilidad,
compresibilidad, densidad relativa, intemperismo.
La resistividad del terreno ‘’ se expresa en m, es la que presenta un cubo de
terreno de un metro de lado: l = 1 m
s = sección (m2)
l = largo (m)
R = resistencia longitudinal ()
Resistividad del terreno
1 m
1 m
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Resistividad del terreno
- Es una magnitud variable.
- Es independiente de la intensidad de la corriente que lo recorre.
- Se modifica en un terreno después de la obra civil.
- La presencia de cuerpos metálicos la modifica.
- Su magnitud es estacional.
- Se modifica al paso de los años.
Resistividad del terreno
Conductividad del terreno
- Es principalmente un proceso electrolítico (agua y sales contenidas).
- En un terreno seco depende del tamaño de las partículas, su porosidad
y el aire aprisionado entre ellas.
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Naturaleza del terreno Resistividad m
Terrenos pantanosos 10 a 30
Humus (tierra vegetal) 10 a 150
Limo (barro ó cieno) 5 a 100
Turba húmeda (material en descomposición) 10 a 150
Arena arcillosa 50 a 500
Arena silícea 200 a 3000
Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3000
Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500
Calizas blandas (carbonato de cal) 100 a 300
Calizas compactas 1000 a 5000
Calizas agrietadas 500 a 1000
Pizarras 50 a 300
Rocas de mica y cuarzo (sílice o cristal de roca) 500 a 800
Granitos (piedra de cantera) 1500 a 10000
Hormigón (piedra y mortero) 2000 a 3000
Grava 3000 a 5000
suelo
modificado
Resistividad del terreno
10
Por humedad:
- Al aumentar, las sales tienen mas
oportunidad de disolución.
- Hay más iones disponibles, mejora
la conductividad.
-La cantidad de agua varía con el
clima, época del año, tipo de suelo.
% de humedad
Variación de
resistividad
Arcilla roja
0 10 20 30 40
20
60
100
200
400
km
saturación 18%
en peso
Variación de la resistividad
Resistividad del terreno
11Por temperatura
Variación de
resistividad
Arcilla roja
0 10 20 30 40
20
60
100
200
400
km
humedad 18%
temperatura
Por contenido de sales
Variación de la resistividad
Cloruro de sodio
2 6 10 14
2
5
10
30
m
% de concentración
Sulfato de cobre
Sulfato de sodio
La temperatura y la humedad
modifican estas curvas
Resistividad del terreno
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Resistencia a tierra
Es la que presenta un electrodo al paso de la corriente eléctrica desde el
electrodo hasta un punto distante. Resistencia eléctrica que presenta el terreno
en determinado lugar.
Elementos constituyentes de su valor
- La resistencia del electrodo y del conductor asociado.
- La resistencia de unión entre el electrodo y el terreno en
contacto directo con él.
- La resistencia del terreno al paso de la corriente eléctrica.
l l 2 V
R = —— = —— = ——
s V s2
V = volumen
S = sección transversall = longitud
= resistividad del terreno
Resistencia a tierra
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Medición de la resistencia a tierraMedidor de tres terminales (caída de potencial, del 62%).
(Ver instrucciones del manual del fabricante)
Elementos necesarios
- Instrumento de medición.
- Dos electrodos auxiliares.
- Electrodo bajo prueba.
terminales en línea
misma separación
No cruce los
conductores
electrodo bajo
prueba
electrodo
auxiliar
VI R = V/I
Resistencia a tierra
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Método del 62%
medidor
I
d
0,62 d
Fuente de ca diferente a 60 Hz para evitar interacción con otras corrientes
(de 60 Hz) en el terreno.
electrodos en línea
campos eléctricos de los
electrodos no sobrepuestos
gráfica esperada zona sin variación
respuesta si los
electrodos están
muy cerca entre
ellos mismosR R
resistencia a tierra del
electrodo bajo prueba
electrodo
bajo prueba
electrodo
de
corriente
electrodo
de
tensión
Resistencia a tierra
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250-50. Sistema de electrodos de puesta a tierra. Todos los electrodos … que
estén presentes en cada edificio o estructura alimentada, se deben unir entre sí ...
En ningún caso, el valor de resistencia a tierra del sistema de electrodos de
puesta a tierra puede ser mayor que 25 ohms.
Resistencia a tierra
250-52. Electrodos de puesta a tierra.
a) Electrodos permitidos para puesta a tierra.
1) Tubería metálica subterránea para agua. …3.00 metros o más ...
2) Acero estructural del edificio o estructura. …conectada a la tierra ...
3) Electrodo recubierto en concreto. …al menos 6.00 metros …
4) Anillo de puesta a tierra. …mínima 6.00 metros de conductor de cobre...
5) Electrodos de varilla y tubería. …no menos de 2.44 metros de longitud...
6) Otros electrodos. …aprobados.
7) Electrodos de placa. …mínimo 0.20 m2 de superficie expuesta al suelo...
8) Otros sistemas o estructuras metálicas subterráneas locales. …sistemas de
tuberías, tanques subterráneos y el ademe metálico de pozos...
Especificaciones mínimas a cumplir*
* De acuerdo a la norma NOM-001-SEDE-2012
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250-53. Instalación del sistema de electrodo de puesta a tierra.
a) Electrodos de varilla, tubería y placa.
1) Abajo del nivel permanente de humedad…
3) Electrodo adicional. …separados cuando menos de 1.80 metros.
d) Tubería metálica subterránea para agua. …debe satisfacer…
f) Anillo de puesta a tierra. …profundidad mínima de 75 centímetros.
g) Electrodos de varilla y tubería. …al menos una longitud de 2.44 metros …
h) Electrodo de placa. …75 centímetros por debajo de la superficie…
Resistencia a tierra
Especificaciones mínimas a cumplir*
Instalaciones destinadas al servicio público
921-18. Resistencia a tierra de electrodos. …resistencia a tierra baja
…(aceptable 10 ohms; en terrenos con alta resistividad …hasta de 25 ohms).
b) Sistemas de un solo electrodo. … la resistencia a tierra no exceda de 25
ohms ... Para instalaciones subterráneas el valor recomendado …es 5 ohms o
menos.
* De acuerdo a la norma NOM-001-SEDE-2012
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Disminuyendo la resistencia (R a la propagación) a tierra:
Aumento de dimensiones del electrodo (longitud, diámetro, área)
Aumenta el área de contacto con el terreno.
Aumento del número de electrodos
Aumenta el área de contacto con el terreno.
Aumento de la profundidad de enterramiento
Capas posiblemente mas homogéneas, nivel de humedad mas constante,
temperatura mas constante.
Tratamiento del terreno (no esta normalizado)
Resistencia a tierra
Técnicas de disminución de resistencia a tierra
La puesta a tierra según su naturaleza la podemos clasificar :
Artificial.- Construida para tal fin, utilizando electrodos artificiales.
Natural.- Elementos de otros sistemas utilizados para la puesta a tierra
(tubería de agua, vía férrea, vías de agua, estructura metálica, ...).
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Resistencia a la propagación, depende del tipo y la dimensión del
electrodo, la conductividad del terreno, la profundidad de enterramiento.
Potencial de electrodo, producto de la corriente introducida por la
resistencia a la propagación.
Potencia de electrodo: Útil para el análisis térmico del electrodo.
Superficie del electrodo: Área en contacto con el terreno, para el análisis de
su eficiencia.
Disipación térmica: Calentamiento del electrodo y del terreno circundante.
Intensidad de campo eléctrico y magnético
Electrodos
Respuesta del electrodo
Para cualquier tipo de electrodo se busca
la respuesta eléctrica en el terreno
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La corriente tiene trayectoria perpendicular al terreno en la frontera electrodo –
terreno.
Es un electrodo superficial.
Radial en su comportamiento, en contacto con el terreno.
I
tierra
suelo
dr
Ae = 2r2
A = 2r12
r1
Electrodos
Electrodo tipo: Semiesférico
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Densidad de
corriente:
A > B
A
B
Tensión de paso
depende de la
posición x – y
del sujeto. Electrodo
V
Electrodos
A mayor distancia
del electrodo menor
tensión de paso.
tensión
de paso
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El potencial en la superficie difiere según la posición del individuo en
relación al sistema de electrodos.
Esto tiene implicaciones para el potencial de contacto, mientras la
corriente de falla fluye a través de la impedancia del sistema de puesta
a tierra, todos los metales expuestos conectados a éste experimentan
una elevación de tensión.
Electrodos
Potencial de tierra (potencial en el terreno)
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Potencia del electrodo: P = (/2r) I2 = I
Resistencia a la propagación: R = /2r = /I
Potencial de electrodo: = (/2r) I = I R
Superficie del electrodo*: S = 2r2
Potencial fuera del electrodo: x = (/2x) I
Tensión de paso: VP = (Is) / (2x)(x+s)
= resistividad del terreno (m)
r = radio del electrodo (m)
I = corriente inyectada (de falla) (A)
x = distancia de la superficie del electrodo al punto x (m)
s = paso hombre (m)
Electrodos
Electrodo semiesférico: Expresiones para cálculo*
* Ver: Problemas de Ingeniería de puesta a tierra, Miguel de la Vega Ortega, Limusa
** En contacto con el terreno
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Ejemplo, encontrar:
a.- Parámetros de operación de un electrodo semi-esférico.
b.- El potencial a 1, 2, ... , 10 m de la superficie del electrodo.
c.- La VC, la VP entre 3 m y 4 m.
d.- La I por el individuo debido al inciso anterior.
Electrodos
Electrodo semiesférico
tensión de paso:
1 m de longitud
tensión de contacto:
0,5 m de distancia
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Solución
a.- Resistencia R = 100/(2 • 3,14 • 1) = 15,9
Potencial = 15,9 (120) = 1908 Volt
Potencia P = 15,9 (1202) = 229 kW
Superficie S = 2 (3,14)(12) m2 = 6,28 m2
b.- 1 = 100(120)/(6,28 x 2) = 955 V, distancia 1 m
2 = 100(120)/(6,28 x 3) = 630 V, distancia 2 m
3 = ...
10 =100(120)/6,28 x 11) = 173 V, distancia 10 m
Electrodos
Electrodo semiesférico
rx (m) x (V)
1 955
2 630
3 477
4 382
5 324
6 267
7 248
8 210
9 191
10 173
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c.- La tensión de contacto: Vc = - 0,5 = 1908 - 1273 = 635 V
(0,5 = 100(120)/6,28(1,5) =1273 V)
La tensión de paso entre 3 y 4 m del electrodo: Vp = 3 - 4 = 477 - 382 = 95 V
La tensión de paso máximo: Vpmax = - 2 = 1908 - 954 = 954 V
d.- La corriente por el cuerpo del individuo
debido a Vc Ic = Vc/Rc = 635/125 = 5,08 A
debido a Vp Ip = Vf / Rp = 95/500 = 0,19 A
debido a Vpmáx Ipmáx = Vpmáx/Rp = 954/250 = 3,82 A
Electrodos
Resistencia a la propagación de la planta del pie (analizado como placa circular)
rp = /2de de = diámetro del pie 0,2m
para la planta de un pie rp = /2de= 100/2(0,2) = 250
pies en serie (caminando) rps = 2 rp = 500
pies en paralelo (de pie) rpp = 125
La guía 80 de IEEE recomienda R = 1000 para la resistencia del cuerpo humano
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El voltaje* de paso a los 9 m de distancia del electrodo
I s
VPX = ————————
2 [(r+x)2+ ¼ s2)]
Si rx >> r, entonces: ¼ s2 << x
I s (120)(100)(1)
VPX ———— = ——————— = 19,1V
2 (r+x)2 (2)(3,14)(102)
s = distancia de paso
10 m del centro del electrodo
9 metros de su superficie
* Los resultados obtenidos son teóricos, el resultado es aproximado.
Electrodos
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Es la corriente que atraviesa el cuerpo humano y pone en riesgo la vida de la
persona.
Las variables: - La corriente de electrodo.
- La resistencia de contacto.
- La resistencia del cuerpo humano.
La corriente peligrosa de electrodo es
(ICR)()(r2 + s r)
IPE = ———————
s dp
ICR = corriente crítica por el cuerpo (50 mA)
s = distancia de paso
r = radio del electrodo
dp = diámetro equivalente de la planta del pie (0,2 m)
Electrodos
Corriente crítica
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Determinar:
Los parámetros de operación del electrodo.
La tensión máxima de paso.
La tensión máxima de contacto.
La tensión de paso a 10 metros del electrodo.
La corriente de electrodo peligroso para una ICR=0,05A
Datos
= 150 m
I = 125 A
r = 0,5 m
s = 1,0 m
dp = 0,2 m
Electrodos
Corriente crítica: Ejercicio
La resistencia de propagación de la planta del pie es: rp = /2de
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Resistencia a la propagación: R = (/4)(1/r + 1/2t)
El potencial del electrodo: = (I/4)(1/r + 1/2t)
Potencial en la superficie: s = (2I) / 4(A2 + t2)½
A
t
Electrodos
Electrodo esférico enterrado a profundidad t
Diferentes electrodos o variantes de ubicación tienen sus expresiones
para el cálculo de los parámetros eléctricos.
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Ejercicio (respuestas)
Resistencia a la propagación de un electrodo esférico:
= 100m, r =1m, I = 100A enterrado a:
t (m) 1 2 3 5 10 20 100
R () 11,9 9,9 9,3 8,7 8,4 8,2 8,0
El potencial en la superficie para una t = 2m
A (m) 1 2 3 5 10 20 100
A (V) 712 563 441 296 156 79 16
El potencial en la superficie para una t = 5m
A (m) 1 2 3 5 10 20 100
A (V) 312 296 273 225 142 77 16
R superficial 15,9
Electrodos
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Para electrodos de otras formas geométricas, en el infinito se
comportan como fuentes puntuales.
Cimiento de concreto armado
- Se analiza como electrodo natural, que esté en contacto con el terreno.
- Debe estar auxiliado por un electrodo artificial.
- Es ineficiente comparado con el anterior.
V2 = a b c V1 = 2r3 / 3
ra
b
cV1 V2
Electrodos
Electrodo semiesférico como modelo
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Es un electrodo natural (sección de construcción de la ingeniería civil:
- Anuncios espectaculares
- Torres de transmisión
- Postes eléctricos
- Transformadores de subestaciones
- ...
Ejercicio
Determinar las características del cimiento de un
anuncio bancario de cemento armado.
Datos
Dimensión: 1,2m x 1,2m x 1,2m; : 100m; I = 120A
Solución
Volumen del electrodo: Ve= 1,23 = 1,73m3
Volumen de la semiesfera: Vs = ½ 4r3/3
Radio de la semiesfera: r = 0,94 m
Resistencia a la propagación: R = / 2r = 17
Potencial en el electrodo: = RI = 2032 V
Electrodos
Electrodo tipo: Cimiento de concreto armado
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- Es un elemento metálico en contacto con el terreno.
- Todos los electrodos presentes en un sistema de tierra deberán estar unidos.
- Todas las tuberías, conductos metálicos y cualquier elemento metálico
dentro o sobre el inmueble debe conectarse a tierra.
- Las tensiones de paso (VP) y de contacto VC) deben calcularse para niveles
seguros.
Conclusiones
Electrodos de puesta a tierra
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Mayor información:
SIATSA
Soluciones Integrales en Alta Tecnología
Firma de consultores en Ingeniería Eléctrica.
Contacto: Ing. Enrique Balan Romero; [email protected]; (55) 4622 0301
ICA – Procobre
Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre, impulsando la
investigación y el desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al mejoramiento
de la calidad de vida y el progreso de la sociedad.
www.procobre.org
Ing. José Luis Falcón Chá[email protected]
Gracias
