Tensión de puesta a tierra y distribución del potencial superficial

Para el correcto diseño de un sistema de puesta a tierra, es preciso conocer la tensión de puesta a tierra y la distribución del potencial superficial. Esto, con el fin de elegir el mejor diseño, sistema y composición para cumplir con las demandas del sitio y con las características del terreno.

Por Henryk Markiewicz y Antoni Klajn.

La tensión de puesta a tierra y 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 que se indica en la Figura 1.

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:

(1)

Y su valor relativo:

(2)

En donde V_E es 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 siguiente forma:

(3)

La diferencia del potencial entre dos puntos sobre la superficie del terreno: uno a una distancia x y otro a una distancia x + a_s, donde a_s es igual a 1 metro, ilustra la tensión de paso V_S; es decir, el potencial de la superficie terrestre que existe entre dos pies de una persona que está parada sobre la superficie del terreno:

(4)

Y su valor relativo:

(4a)

En donde x ? r.

Puede describirse una relación similar para cualquier otra distancia x y a. En particular para x = r y a = a_T = 1m, la fórmula 5 permite el cálculo de la tensión de contacto, es decir, la tensión entre la palma de la mano y el pie de una persona que está justo tocando el electrodo de tierra o partes metálicas conectadas a él:

(5)

Y su valor relativo:

(5a)

Una ilustración práctica de las tensiones de contacto y de paso se muestra en la Figura 2. 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_T se diferencia a veces de la tensión de contacto de choque eléctrico V_TS, y la tensión de paso V_S de la tensión de paso de choque eléctrico V_SS. Las tensiones V_T y V_S son los valores pico resultantes de la distribución de potencial, mientras que V_TS y V_SS tienen en cuenta los pequeños cambios de la distribución del potencial, debido 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 diferencia entre V_S y V_SS o V_T y V_TS es normalmente muy pequeña, por lo que se adoptan los mismos valores para los potenciales respectivos:

El lado izquierdo de la Figura 2 muestra la situación para un electrodo de pica, mientras que el lado derecho muestra la de un electrodo mallado. El electrodo de pica (1) tiene una baja resistencia, pero presenta una distribución 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 considerablemente mayor para el electrodo de pica (1) que para el mallado (2) (persona B). Los potenciales de paso (persona C) también son menos peligrosos en el caso del electrodo mallado.

Cuando no es posible proporcionar una tierra mallada, un electrodo anular (como es práctica común en Bélgica y Alemania, por ejemplo) proporciona una solución intermedia 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 resistencia y la configuración deben considerarse conjuntamente. Obsérvese que debido a que los sistemas de electrodo mallado cubren grandes áreas, no es práctico enterrarlos profundamente, con lo que serían más sensibles a los cambios 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 3. Aunque no existe potencial de contacto –porque la malla se extiende más allá de cualquier estructura metálica en más de 1 metro–, pueden producirse peligrosas tensiones de paso. Esta circunstancia puede surgir, por ejemplo, en el sistema de puesta a tierra de una subestación. Con objeto de evitar dicho fenómeno, los elementos exteriores del electrodo de tierra mallado deben colocarse a una mayor profundidad que el resto de la rejilla (Figura 3).

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 circula en condiciones constantes a la frecuencia de la red. Las diferencias 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
• Fuertes incrementos de corriente en tiempos muy cortos (el caso típico de impactos de rayos que alcanzan algunos cientos de kA/s

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, lo que reduce la resistividad del terreno o 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 suelo está seco o presenta una elevada resistividad.

La inductancia de las piezas metálicas de los electrodos metálicos, que puede estimarse de 1 H/m, no se tiene en cuenta habitualmente a la hora de considerar la impedancia del terreno a la frecuencia de la red. Sin embargo, esta inductancia se convierte en un parámetro importante cuando se eleva la rapidez de respuesta de la corriente en la región de cientos de kA/s o más. En el caso de impactos de rayos, la caída de tensión inductiva (Lxdi/dt) alcanza valores muy elevados. Esto trae como consecuencia que las piezas remotas del electrodo de tierra jueguen un papel reducido a la hora de conducir la corriente hasta tierra.

La resistencia del terreno para las corrientes pulsantes aumenta si se le compara con la resistencia que presenta en condiciones estáticas. Es por esta razón que el aumento de la longitud de los electrodos de tierra por encima de la longitud crítica no provoca ningún tipo de 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 frecuencia aumenta la reactancia inductiva. La impedancia global puede ser mayor o menor, dependiendo de qué efecto es el dominante.

Conclusiones
La resistencia de tierra y la distribución de potencial de la superficie del terreno dependen de las propiedades del terreno y de la geometría del electrodo de puesta a tierra. Idealmente, el potencial de la superficie del terreno debe ser plano en el área que circunda al electrodo de tierra. Las picas tienen una distribución del potencial superficial desfavorable, mientras que los electrodos mallados presentan una distribución más plana.

Hay que tomar en cuenta el comportamiento del sistema de puesta a tierra para corrientes transitorias elevadas. Los valores de corriente elevados reducen la resistencia de puesta a tierra a causa del fuerte campo eléctrico entre el electrodo de tierra y el suelo, mientras que los cambios rápidos de corriente aumentan la impedancia a causa de la inductancia del electrodo. La impedancia de puesta a tierra es, en este caso, una superposición de estos dos eventos.

Con información de Leonardo Power Quality Initiative