Sistemas de puesta a tierra: fundamentos de cálculo y diseño

Un sistema de 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 tierra es una parte esencial de las redes de energía, tanto en los niveles de alta como de baja tensión. Se necesita un buen sistema de puesta a tierra para cumplir con las demandas de seguridad humana, animal y de equipos que garanticen su integridad y correcto funcionamiento.

Por Redacción, Fotografía: Bruno Martínez.

Evaluación del terreno
Las características eléctricas del terreno para la instalación de un sistema de puesta a tierra están definidas por su resistividad (). A pesar de esta definición relativamente sencilla, la determinación de su valor puede tornarse complicada por dos motivos: el terreno no tiene una estructura homogénea, sino que está formado por capas de diferentes materiales, y la resistividad de un tipo dado de terreno varía mucho, dependiendo de su contenido de humedad (ver Tabla 1).

Tipo de terreno	Resistividad del terreno [ (m)]
	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 – 3000	200 (húmedo)
Turbar	> 1200	200
Grava (húmeda)	50 – 3000	1000 (húmedo)
Terreno pedregoso y rocoso	100 – 8000	2000
Hormigón: 1 parte de cemento + 3 partes de arena	50 – 300	150
Hormigón: 1 parte de cemento + 5 partes de grava	100 – 8000	400
Tabla 1. Resistividad del terreno () para varios tipos de suelo y hormigón

En la práctica, se suele considerar una estructura del terreno homogénea con un valor medio de , que se estima sobre la base de un análisis del suelo o por mediciones específicas. 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 resultados de las mediciones deben interpretarse siempre con cuidado. Cuando no se disponga de información sobre el valor de ?, se supondrá que  = 100 m; no obstante, como se indica en la Tabla 1, el valor real puede ser muy distinto. Por ello, debe realizarse un ensayo de verificación al terminar la instalación, además de tomar en cuenta las probables variaciones futuras debidas a las condiciones climatológicas y durante la vida útil de la instalación.

El contenido de humedad (h) del suelo puede variar su resistividad en un amplio margen, según la situación geográfica y las condiciones del clima, desde un bajo porcentaje para regiones desérticas, hasta aproximadamente 80 por ciento para pantanosas. La resistividad del terreno depende en gran parte de este parámetro. Para valores de humedad superiores al 30 por ciento, los cambios de ? son muy pequeños y poco significativos; sin embargo, cuando el suelo está seco, es decir, con valores de h inferiores al 20 por ciento, 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 las variaciones de humedad. Se debe recordar que la acción de las heladas es semejante al secado; es decir, la resistividad aumenta notablemente. Por este motivo, los cálculos de resistencia de tierra y la previsión de electrodos sólo pueden realizarse con un nivel limitado de precisión.

Figura 1. Diagrama ilustrativo del concepto físico de la resistividad del terreno (?)

Propiedades del sistema
Las propiedades eléctricas de una puesta a tierra dependen de dos parámetros: la resistencia de puesta a tierra y la configuración del electrodo de tierra. La resistencia de la puesta a tierra determina la relación entre la tensión de tierra (VE) y el valor de la corriente de tierra. La configuración del electrodo de tierra determina la distribución del potencial sobre la superficie del terreno, que se produce como resultado de la circulación de corriente en la tierra. La distribución del potencial sobre la superficie es un tema importante al valorar el grado de protección contra descargas eléctricas, ya que determina los potenciales de contacto y de paso.

La resistencia de la puesta a tierra tiene dos componentes: la resistencia de disipación (RD), que es la resistencia del terreno entre el electrodo de tierra y la tierra de referencia, y la resistencia (RL) de las piezas metálicas del electrodo de tierra y del conductor de puesta a tierra. RL es normalmente mucho menor que RD; por ello, en general se estima que la resistencia de puesta a tierra es igual a la resistencia de disipación.

Cualquier conexión de tierra suministrada aparece en paralelo con la puesta a tierra local y puede presentar una impedancia inferior a frecuencias fundamentales y armónicas; sin embargo, la disponibilidad y las características de esta ruta están más allá del control del proyectista. Por ello, no deberá considerarse en el diseño del sistema de puesta a tierra.

Figura 2. Resistividad de un terreno arcilloso en función de la humedad

Resistencia y distribución del potencial
En los circuitos de corriente alterna se tiene en cuenta la impedancia de puesta a tierra (ZE), la cual se presenta entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia, a una frecuencia de funcionamiento dada. La reactancia del sistema de tierras es la mostrada por el conductor de puesta a tierra y las partes metálicas del electrodo de tierra.

A frecuencias bajas –frecuencia de alimentación y armónicos asociados–, esta reactancia suele ser despreciable en comparación con R, pero debe tenerse en cuenta para altas frecuencias, como los transitorios por descargas eléctricas. Por ello, para bajas frecuencias se asume que ZE es igual a RD, que, a su vez, se asume que es aproximadamente igual a R: ZE  RD R.

La R de un electrodo de tierra depende de la resistividad del terreno (), así como de la geometría del electrodo. Para 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 posible. Cuando la corriente pasa desde el metal hasta el terreno, se dispersa, con lo que se reduce la densidad de corriente. Si el electrodo es físicamente pequeño (por ejemplo, un punto), el efecto es grande; pero se reduce mucho para una lámina, en donde la dispersión sólo es efectiva en los bordes. Esto significa que los electrodos de barra, tubo o hilo tienen una resistencia de disipación mucho menor que, por ejemplo, un electrodo de lámina con la misma área superficial. Además de esto, 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.

Figura 3. Ilustración de un electrodo hemisférico, que muestra los parámetros necesarios para calcular R y la distribución del potencial en la superficie del terreno (con  constante)

El cálculo de R se realiza suponiendo que el terreno es ilimitado y de estructura uniforme, con un valor dado de resistividad. Sería posible obtener ecuaciones exactas para la determinación de R, pero, en la práctica, su utilidad sería muy limitada, en especial en el caso de electrodos de tierra complejos y mallados, en los que las relaciones matemáticas se hacen muy complicadas. Asimismo, incluso una pequeña 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 precisión necesaria. Por estas razones, las ecuaciones teóricas exactas para la determinación de R sólo se emplean para estructuras sencillas de electrodos de tierra, con el fin de ilustrar la relación entre la tensión, 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 R.

Con información de Leonardo Power Quality Initiative