Sistema de puesta a tierra. Un caso práctico 

07.07.22 04:26 PM By kinenergy.internacional

Un sistema de puesta a tierra (SPT) nos ayuda a garantizar la seguridad y protección de las personas y de nuestros equipos. Existen diversos proyectos en donde por la premura del tiempo se llegan a generar diseños de estos sistemas sin llevar a cabo un análisis de la resistividad del terreno en donde se va a implementar, además de que se dejan de lado las normas que existen para un adecuado diseño.

 

Actualmente, existen fórmulas que nos permiten diseñar de manera adecuada las configuraciones del SPT estimando el valor de la resistencia esperada.

 

¿Qué es un sistema de puesta a tierra?

 

Como se mencionó en el artículo “Conoce los beneficios de un sistema a puesta a tierra” un SPT es el conjunto de elementos como cables, varillas, barras, conectores soldables o mecánicos hechos de materiales conductores de electricidad (metales) que sirven como medio de salida para drenar a tierra las corrientes de falla que puedan originarse por una deficiencia, descuido o defecto en el sistema eléctrico garantizando así la continuidad del servicio. 

 

Además, en caso de una descarga eléctrica crítica se asegura que ninguna persona cercana a las instalaciones, con conexión a tierra, quede expuesta al peligro.

¿Qué es la resistividad del terreno?

 

Para calcular y diseñar un sistema de puesta a tierra es fundamental que investiguemos la resistividad que tiene el terreno en la ubicación que deseamos, ya que este factor es el más importante dentro del fenómeno de conducción de la corriente en el terreno. No es recomendable estimar la resistividad basándose en la clasificación del terreno, porque solamente nos da una aproximación con lo que las mediciones de campo de la resistividad son imprescindibles.

 

La resistividad del terreno puede variar con la profundidad y con factores como: la composición de éste, la concentración de sales solubles, el contenido de humedad, la granulometría, la estratigrafía, el efecto de la compactación y el efecto de la temperatura1.

 

La interpretación de las mediciones de la resistividad del terreno puede tener variaciones considerables, especialmente cuando encontramos terrenos con resistividades que no son uniformes. Hay muy pocos casos donde las resistividades del terreno son constantes con el aumento de la profundidad, esto debido a que generalmente, existen varias capas de tierra y cada una tiene una resistividad diferente.

La medición de resistividad del terreno representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad y se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo, su magnitud se expresa en (Ωm) o (Ωcm). Para medir la resistividad del suelo se requiere de un terrómetro, llamado en otros países telurómetro o Megger. Los aparatos de mayor uso de acuerdo a su principio de operación pueden ser de 2 tipos: de compensación de equilibrio en cero y el de lectura directa.


Los objetos enterrados como rieles y tuberías metálicas y que están situados en las proximidades del terreno pueden influir considerablemente en los resultados de las mediciones. Si sospechamos que existen estructuras metálicas enterradas en donde vamos a realizar las mediciones, para conocer la resistividad del terreno y sí conocemos la ubicación de éstas, podemos minimizar su influencia mediante la alineación de las picas auxiliares de prueba en una dirección perpendicular al enrutamiento de estas estructuras.

Algunos de los principales métodos para la medición de la resistividad del  terreno son:

 

Método de tres puntos

 

En este método se realizan diversas mediciones de la resistencia de un sistema de puesta a tierra en correlación con el incremento de la profundidad de una varilla de tierra, además, se calcula la resistividad del terreno mediante una ecuación. El valor obtenido de la resistencia medida refleja la resistividad aparente para cada profundidad de la varilla2.

 

Para áreas grandes, varias ubicaciones de las varillas pueden dar una indicación de cambios laterales significativos en la resistividad del terreno. Una desventaja de este método es que la varilla podrá vibrar a medida que se acciona, resultando un contacto pobre con el terreno a lo largo de su longitud. Este método proporciona información útil sobre la naturaleza del terreno (cinco a diez veces la longitud de la varilla).

Otro método empleado para medir la resistividad aparente de terrenos que tienen una gran área es el método de cuatro puntos o también conocido como método Wenner. En éste tenemos que instalar cuatro picas auxiliares en la tierra, todas a la profundidad “b” y deben estar espaciadas (en línea recta) a intervalos “a” (véase en la figura "Método de cuatro puntos: picas equidistantes). Posteriormente, debemos pasar una corriente de prueba “I” entre las dos picas exteriores y el potencial “V” entre las dos picas internas, se mide con un potenciómetro o voltímetro de alta impedancia. Entonces, la relación “V/I” (voltaje sobre corriente) da la resistencia “R” en ohms3. 

 

Con este método podemos obtener los datos de resistividad del terreno para capas más profundas sin necesidad de conducir las picas de prueba a estas.


Generalmente, se pueden encontrar dos variantes de este método:

  • Igualmente Espaciado o Arreglo Wenner.
  • Espaciamiento desigual o Schlumberger.

 

Igualmente Espaciado o Arreglo Wenner

 

En esta variante, las picas están igualmente separadas como se muestra en la imagen. Siendo “a” la distancia entre dos picas adyacentes.

Método de cuatro puntos: picas equidistantes

Espaciamiento desigual o Schlumberger

 

Con el método de Schlumberger se colocan más juntas las picas interiores y las picas exteriores se colocan más separadas. A diferencia del Arreglo de Wenner en donde todas las picas se mueven para calcular la resistividad del terreno a diferentes profundidades, en éste solamente se requiere que las picas externas sean reposicionadas para conseguir mediciones nuevas.

 

La disposición mostrada en el siguiente diagrama puede usarse para medir con éxito la resistividad del terreno cuando las picas de corriente están separadas por una gran distancia o para acelerar la prueba para múltiples localizaciones de la pica de corriente4.

Método de cuatro puntos: picas espaciadas de manera desigual

Método de dos puntos

 

Aquí la resistencia a tierra del sistema se debe medir en serie con un electrodo auxiliar, este electrodo debe tener una resistencia despreciable en comparación con la resistencia de nuestro sistema de prueba. Entonces, el valor medido representa la resistencia a tierra del sistema de prueba.

 

A continuación, se muestran dos imágenes como ejemplos:

Medida de la resistencia de tierra a dos puntos utilizando un instrumento especializado de medición
Medida de la resistencia de tierra a dos puntos desde el cuadro de alimentación

Método de caída de potencial

 

Para implementar este método debemos utilizar dos picas auxiliares (conocidas como pica de corriente y pica de potencial) las cuales se posicionan en una misma dirección. Debemos inyectar una corriente constante entre el electrodo o varilla de tierra (G) y una pica de corriente (CP), posteriormente se medirá la tensión entre G y una pica de potencial (PP). Usualmente, la pica de potencial es colocada en la misma dirección que la pica de corriente, pero podemos colocarla en la dirección opuesta.

 

Para minimizar las influencias interelectrodo debido a las resistencias mutuas, la pica de corriente se coloca a una distancia (D) que, por lo general, es al menos 5 veces la longitud de la varilla o 5 veces la diagonal máxima del sistema puesto a tierra bajo prueba. Con este método vemos la excitación de los electrodos mediante la corriente y los voltajes, siempre tomando medidas y distancias considerables para no tener afectaciones en la aplicación5.

Método Clamp-On

 

La medición de la resistencia de un sistema de puesta a tierra mediante este método se realiza por medio de una pinza (conocida como clamp) que se sujeta al cable de derivación, como se puede ver en la figura 1.5.5. El medidor de sujeción induce un voltaje con una frecuencia definida, por lo general, entre 1 kHz y 3.4 kHz en el sistema de puesta a tierra que incluye a la varilla bajo estudio. 

Fig. 1.5.5 Medición de la resistencia mediante el método Clamp-on.

El voltaje que se induce va a generar una corriente (“I” prueba) que va a fluir hacia el sistema de puesta a tierra, ésta es medida por la misma pinza, entonces, el equipo de medición muestra en formato digital la resistencia que se obtiene mediante la ley de ohm.

 

Para que se pueda obtener un resultado con alto grado de precisión, la impedancia del sistema de neutro multiaterrizado debe ser significativamente menor en comparación con la impedancia de la varilla, por lo tanto, se puede asumir que es cero la impedancia (Zeq=0). Es importante que nuestro circuito de prueba tenga una baja reactancia en comparación a la resistencia. Hay que recordar que la reactancia aumenta de forma significativa en respuesta a la frecuencia de la corriente de prueba, lo cual, puede distorsionar en gran medida nuestras lecturas6

 

El método clamp-on también nos ayuda a medir la corriente de fuga que fluye a través del sistema. Este método puede ser utilizado en terrenos aislados en donde no hay ruta de retorno, además de que no se debe usar si existe una resistencia alternativa de menor resistencia que involucra el terreno, como ocurre con las torres celulares (véase en la siguiente figura)7.

Medición incorrecta de la resistencia de tierra

Mediciones


Interpretar los valores medidos de las resistividades suele ser una de las partes más difíciles del análisis ya que la variación de la resistividad del terreno puede ser grande y compleja debido a la heterogeneidad de la misma8.


El modelo de terreno es sólo una aproximación de las condiciones reales de éste y es improbable una combinación perfecta. “Los modelos de resistividad del terreno que suelen utilizarse más son el modelo de terreno uniforme y el modelo de terreno de dos capas”9. En algunos casos, la variación en la resistividad del terreno puede presentar mínimos y máximos tales que un modelo equivalente de dos capas puede no producir un modelo preciso. “En estos casos podría ser necesario utilizar un modelo de terreno diferente, como puede ser un modelo multicapa a través del uso de programas informáticos”10.

Para realizar un diseño eficiente de nuestro sistema de puesta a tierra es importante que tengamos conocimiento de los parámetros que afectan su rendimiento, tales como: el espaciamiento, el número de varillas de tierra, la ubicación, la longitud, la disposición de los conductores de la malla, por mencionar algunos.


En un SPT se incluyen conductores de cobre que pueden estar enterrados entre 0,3m y 0,5m (según sea el caso) por debajo del nivel de la superficie con un espaciamiento entre 3m a 7m, en las conexiones de cruce los conductores deben estar unidos fijamente entre sí. En cuanto a las varillas de tierra se pueden colocar en las esquinas de la malla y en los puntos de unión a lo largo del perímetro11.


Tratamiento del terreno para mejorar la resistividad

Dependiendo de nuestra localización y condiciones de terreno algunas veces no se consiguen valores adecuados para la ejecución de instalaciones de puesta a tierra. Hoy en día ya contamos con tratamientos de terrenos que utilizan intensificadores, sales líquidas o bentonita sódica para bajar o aumentar la resistividad del mismo.


Luego se empieza a discutir la influencia de la resistividad de componentes químicos, los métodos de medida y las situaciones en las que son aplicables. Varios métodos han sido utilizados históricamente, comenzando por el agregado de sales simples tales como: sulfato de magnesio, sulfato de cobre y cloruro de sodio, éstas deben de colocarse en una zanja horizontal rodeando los electrodos sin que entren en contacto para minimizar los efectos corrosivos de las sales sobre el metal.


También ha sido utilizado el aporte de sales de gel que consiste en inyectar o irrigar el terreno con dos o más sales en solución acuosa, acompañadas de un catalizador en proporciones adecuadas que reaccionan entre sí formando un precipitado estable en forma de gel, con una elevada conductividad eléctrica, resistente a los ácidos del terreno e insoluble en agua. 

Los objetivos del procedimiento de mejora del terreno son:

  • Función de reducción de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo mejorando la conductividad del terreno circundante que representa el mayor porcentaje de caída de potencial del terreno.
  • Función del relleno entre el electrodo y terrenos duros trabajados especialmente para poder instalar los electrodos.
  • Función de relleno y mejora en suelos rocosos trabajados con explosivos.
  • Función de inhibir o retardar la corrosión de electrodos de hierro para sustituir electrodos de cobre o hierro galvanizado con ánodos de sacrificio.

En áreas con pobre conductividad tales como suelos rocosos, cimas de montaña y suelos arenosos se ocupa el Material para Mejora de Conexión a Tierra, Ground Enhancement Material, por sus siglas en inglés (GEM). 


El GEM puede reducir dramáticamente los valores de resistencia e impedancia de la tierra, más aún, el GEM reduce el tamaño del sistema de conexión a tierra cuando los métodos convencionales no son satisfactorios. Una vez instalado el GEM no requiere mantenimiento ni cambios periódicos o la presencia de agua para mantener su conductividad. Se han realizado pruebas por parte de terceros a fin de verificar que el GEM cumpla con la norma IEC® 62561-7. Esta norma presenta un parámetro de desempeño eléctrico y corrosión de los materiales para mejorar la conexión a tierra.

Otro método para mejorar la resistividad del terreno son los electrolitos que contienen iones libres que actúan como conductores eléctricos. Es posible distinguir entre electrolitos en soluciones iónicas, electrolitos fundidos y electrolitos sólidos según la disposición de los iones. Los más frecuentes son los electrolitos que aparecen como soluciones de sales, bases o ácidos.


Tienden a ser una solución orgánica que mejora la ionización de las cargas eléctricas facilitando la conducción y disipación a tierra física. El uso del electrolito en sistemas de tierra física tiene la función de disminuir la resistencia sin tener que incrementar la cantidad de electrodos.


Debido a que generalmente se encuentran iones en una disolución los electrolitos también son conocidos como disoluciones iónicas, pero también son posibles electrolitos fundidos y electrolitos sólidos.

Caso Práctico


A continuación, te compartimos un caso práctico en donde el equipo de expertos de KINENERGY ocupo el STP para la eliminación de energía estática en una terraza de 4 metros, sobre nivel de piso, compuesta de estructura de acero inoxidable y placas de vidrio, tanto en piso y paredes. Se debe de mencionar que está expuesta a la intemperie teniendo contacto con el aire.


Como bien se sabe, la energía estática es aquella energía que no se mueve y tiende a causar una descarga eléctrica entre dos cuerpos, en pocas palabras, es la diferencia de potencial entre dos elementos. La carga eléctrica permanece en reposo, no se mueve, porque no puede circular ninguna corriente.


Es decir, un primer objeto tendrá una carga positiva (debido a la perdida de electrones) y un segundo objeto tendrá una carga negativa (debido a la ganancia de electrones). Si uno de los objetos cargados toca un conductor, como el metal, la carga se neutraliza y provocará un choque estático; es aquí en donde entra en aplicación la ley de cargas: cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen.


Hoy en día, el área de la construcción de interiores, exteriores, industrial y la arquitectura tienden a mantener una estética o diseño muy puntual a respetarse, sobre todo, para poder llevar a cabo la expresión del arquitecto o simplemente seguir las necesidades del cliente sin perder de vista la atracción visual y de diseño. En estas construcciones, algunas ocasiones, tienden a dejar de lado factores muy importantes que pueden ser causantes de accidentes dentro y fuera de un inmueble para sus usuarios.


Continuando con el caso práctico, una vez que se estuvo en sitio se comenzó a realizar un levantamiento técnico para poder identificar puntualmente el problema y así dar una solución acorde a la necesidad del cliente que era no perder la estética de su arquitectura.


Como primera instancia, se identificó que la estructura de la terraza estaba constituida por acero inoxidable teniendo como principal soporte vigas y columnas de acero estructural, paredes y piso constituidos por vidrio. Para poder llegar a esta terraza se tenía que tomar un ascensor con las mismas características de recubrimientos internos a excepción de mecanismos eléctricos y mecánicos.


Estando en contacto una persona con el piso de la terraza, a escaso metro de caminar sobre ella, dicha persona se cargaba con electricidad estática y al tener contacto con un barandal u algún otro punto donde existiera un medio de descarga, éste generaba un choque o calambre en la persona causando incomodidad, cabe mencionar que por comentarios del cliente la terraza no se podía ocupar por ningún motivo.


Como segunda instancia, se procedió a una inspección visual bajo la terraza para tener consideraciones estructurales, tipo de terreno, materiales que lo componían o que pudiesen ayudar en la implementación de una solución. Seguido de obtener esta información se comenzó a medir la resistividad del terreno con un Terrómetro (Telurómetro, Megger, etc.), esto con la finalidad de hacer un estudio que nos permitiera saber con qué valores de resistencia contaba el sitio.


Se inspeccionó el edificio para saber si tenía algún aterrizaje estructural puntual o existía un sistema de puesta a tierra cercano y destinado para este tipo de diseño o construcción; se descartó la existencia del sistema de puesta a tierra y se procedió a tomar mediciones de resistividad del terreno.


Una vez obtenidos los valores de las mediciones se comenzó a evaluar y seleccionar el tipo de material para hacer interconexiones puntuales en la estructura de la terraza sin perder o invadir su estética, haciendo una unión equipotencial y así poder eliminar dicho problema.


El material que se utilizó para la solución fue: perfil redondo de acero, accesorios mecánicos de acero, electrodos de acero, pletina de acero, registros de inspección, cinta petrolatum e intensificador. Ante la problemática de la electricidad estática se instaló un sistema de puesta a tierra que se determinó mediante cálculos y revisiones con normativas aplicables para estos casos, conformado por electrodos, conectores mecánicos, aplicación de cinta tipo petrolatum en conectores mecánicos, pletinas, intensificador y registros de inspección.


Con todo lo antes mencionado, se puede comprender que las modificaciones o el no visualizar impactos a futuro, por mantener una construcción desde el impacto visual y estético, puede tener problemas o afectaciones que perjudiquen operaciones diarias por parte del dueño o en su defecto el cliente.

 

Un claro ejemplo, es la utilización de un espacio destinado a esparcimiento al aire libre en donde las personas no podían estar en contacto o simple relación, aunado a esto, se tenía que restringir el uso de algunos objetos como globos, gases, combustibles, ya que partiendo de una pequeña chispa se podían ocasionar percances o daños mayores.


No necesariamente se deben tener requerimientos de eliminación de electricidad estática a objetos o construcciones en específico. Se debe analizar el requerimiento a ciertos elementos electrónicos que son sensibles a este tipo de energía, equipos que están diseñados bajo características o necesidades especiales.


También existen cuartos críticos que dependen de un aislamiento antiestático para poder garantizar su funcionalidad sin dejar de lado aspectos generales. En el caso de la industria, también pueden existir requerimientos de estática para sus procesos debido a que hay materiales que dependen de la electricidad estática o en su defecto necesitan eliminar este tipo de energía mediante humidificación, pulseras, trajes, etc.


Recuerda que un buen diseño de los Sistemas de Puesta a Tierra contribuyen a garantizar la seguridad de tu inmueble y de sus ocupantes. En KINENERGY tenemos expertos que pueden ayudarte a cumplir con los objetivos de tu proyecto ¡Contáctanos!

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Daniel Manzano

Ingeniero MEP-Eléctrico 

Daniel cuenta con más de 5 años de experiencia como Ingeniero MEP en el sector de la construcción de edificaciones verticales (sector privado), retail, hospitalario e interiorismo (público y privado), también ha participado en proyectos del sector industrial enfocado a la ingeniería eléctrica en Alta tensión, Media tensión y Baja tensión dentro de la demarcación de la Ciudad de México, Estado de México e interior de la República Mexicana.


Como ingeniero MEP aparte de su experiencia en ingeniería eléctrica, también; cuenta con experiencia en Ingeniería HVAC, BMS, Ingeniería Hidrosanitaria e Ingenierías Especiales en donde se desempeña con estrategias que garanticen el óptimo funcionamiento de estos sistemas, así como el cumplimiento de los estándares de calidad y seguridad correspondientes, con el enfoque de orientar, destacar, asegurar alcances, cumplimiento de estándares y normativas mexicanas. Daniel cuenta con Título como Ingeniero Eléctrico-Electrónico con especialidad en Control por la U.N.A.M Unidad F.E.S Aragón.

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Referencias

1–11. Freddy Mauricio Sinchi Sinchi. (2017). Diseño y Determinación de Sistemas Puesta a Tierra Mediante Pruebas de Campo con Elementos Comunes Utilizados en la región, Incluyendo GEM y Electrodo Químico. Cuenca, Ecuador: Universidad Politécnica Salesiana. https://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/14487/5/UPS-CT007132.pdf

ANCE. (2005). NMX-J-549-ANCE-2005, SISTEMA DE PROTECCIÓN CONTRA TORMENTAS ELÉCTRICAS - ESPECIFICACIONES, MATERIALES Y MÉTODOS DE MEDICIÓN. México, D.F: Asociación de Normalización y Certificación, A. C. 

ERICO. (2018). Material de Refuerzo de Tierra. 30 de Mayo de 2022, de ERICO Sitio web: https://www.nvent.com/en-us/efs/efs-new-website

NOM. (2012). NOM-001-SEDE-2012, INSTALACIONES ELECTRICAS (UTILIZACION). Comité Consultivo Nacional de Normalización de Instalaciones Eléctricas y por la Dirección General de Distribución y Abastecimiento de Energía Eléctrica, y Recursos Nucleares de la Secretaría de Energía. México, D.F.: SENER

STPS. (2015). NOM-022-STPS-2015, Electricidad estática en los centros de trabajo-Condiciones de seguridad. México, D.F.: DOF.

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