Diseño e Implementación de un Sistema de Puesta a

Tierra para el Laboratorio de Máquinas Eléctricas

del Edificio W en la UAM Azcapotzalco Carlos Rivera S., Marlen E. Oliva O.

Departamento de Energía, Unidad Azcapotzalco, Universidad Autónoma Metropolitana, C.P. 02200, México, D.F, México

Resumen—En el presente artículo se muestra el diseño de un

sistema de puesta a tierra para el Laboratorio de Máquinas

Eléctricas del edificio W de la Universidad Autónoma

Metropolitana, con la finalidad de proteger a las personas que

laboren en dicho lugar de contactos eléctricos directos e indirectos.

Se presenta información del estudio de tipo de suelo, realizado por

alumnos de Ingeniería Civil de la UAM-A con ayuda de la empresa

Ingeniería Experimental S.A de C.V, proporcionada por el área de

topografía.

Al igual se realizó un estudio de resistividad del suelo, con un

megger 4620, en el cual el suelo presenta valores de resistividad

ligeramente altos, por lo que se consideró la construcción de una

malla y para optimizar dichos valores se deberá realizar un

tratamiento de mejoramiento del suelo. Para la unión de las varillas

puesta a tierra de la malla y el conductor de cobre desnudo se

propuso la utilización de soldadura exotérmica, lo cual permitirá

tener una baja o nula resistencia eléctrica de contacto, duradera y

sin necesidad de mantenimiento.

Se diseñó el sistema de puesta a tierra, en el cual se obtuvo un valor

de resistencia de 17.2 ohms, valor que con la adición del tratamiento

químico se espera un valor menor a los 15 ohms, aceptables para

laboratorios, según la IEEE std-80.

Palabras Clave—Sistema Puesta a Tierra, Tensiones de paso, Método Wenner, I. INTRODUCCION

En el diseño del Sistema de Puesta a Tierra (SPT) se detalla el método

y recomendaciones para medir la resistividad considerando las

características propias del terreno; de acuerdo con las corrientes y

tensiones tolerables por el cuerpo humano, se definen aspectos

básicos en el diseño y se describe el procedimiento que se llevó a

cabo para el diseño del SPT.

El diseño del SPT tiene dos objetivos establecidos en la norma IEEE

std80-2000 [1]:

Proporcionar un medio para disipar las corrientes eléctricas en

la tierra en condiciones normales y situaciones de fallo, sin

exceder los límites de operación de los equipos o dañar la

continuidad del servicio eléctrico.

Asegurar que una persona en la vecindad de las instalaciones de

la puesta a tierra no esté expuesto al peligro de un choque

crítico.

El propósito de utilizar la norma IEEE std. 80-2000 [1]: Guía para

mediciones del SPT presenta los métodos de instrumentación práctica

que pueden ser usados para la medición de la impedancia de la tierra,

tensiones de paso y contacto, así como las distribuciones de corriente

en el SPT.

La mayor parte de los accidentes laborales son ocasionados por

descargas eléctricas, siendo éstas de gran peligro, pues se ha

demostrado experimentalmente que la intensidad que atraviesa el

cuerpo humano es la que puede ocasionar lesiones y no la tensión

debido al accidente eléctrico [2]. La característica fundamental de la

corriente alterna es la frecuencia, de modo que la alternancia en el

sistema cardiaco y nervioso produce espasmos, convulsiones y

alteraciones del ritmo cardiaco.

Las tensiones más peligrosas son para la corriente continua las

cercanas a 500 V y para la corriente alterna las próximas a 300 V

[3,4]. Algunos efectos de la corriente eléctrica se mencionan en la

Tabla 1: [5,6].

Tabla 1. Efectos de la corriente eléctrica, intensidad, duración y

efecto. INTENSIDAD

EFICAZ A

50-60 Hz (mA)

DURACIÓN

DEL

CHOQUE

ELÉCTRICO

EFECTOS FISIOLÓGICOS EN EL

CUERPO HUMANO

0-1 Independiente Umbral de percepción.

No se siente el paso de la corriente

0-15 Independiente Desde cosquilleos hasta tetanización

muscular. Imposibilidad de soltarse

15-25 Minutos Contracción de brazos. Dificultad de respiración. Aumentos de la presión

arterial. Límite de tolerancia.

25-50 Segundos a

Minutos

Irregularidades cardiacas. Aumento de

presión arterial. Fuerte efecto de tetanización. Inconsciencia. Aparece

fibrilación ventricular

50-200 Menos de un ciclo Cardíaco

No existe fibrilación ventricular. Fuerte contracción muscular

Por encima de

200

Menos de un

ciclo Cardíaco

Fibrilación ventricular. Inconsciencia.

Marcas visibles. El inicio de la

electrocución depende de la fase del ciclo cardiaco. Iniciación de la

fibrilación solo en la fase sensitiva.

Paro cardiaco reversible. Marcas

visibles. Quemaduras.

II. NECESIDAD DEL DISEÑO SPT.

Actualmente el edificio W cuenta con un sistema de puesta a tierra

tipo edificio (aterrizado en la estructura del mismo); además en este

edificio existe un laboratorio de sistemas eléctricos de potencia, en el

cual se llevan a cabo experimentos de descargas eléctricas, la

finalidad de independizar el sistema de puesta a tierra del laboratorio

de máquinas eléctricas se realizó para evitar una corriente parásita en

el sistema que afecte a los demás laboratorios, ya que aquí se

realizarán pruebas con impulsos eléctricos por lo cual se deberá

mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro

de los límites de seguridad, en donde las tensiones de paso o contacto

no sean peligrosas para los usuarios del laboratorio. Así como ofrecer

en todo momento y por el tiempo de vida útil del SPT (±20 años) baja

resistencia eléctrica que permita el paso de las corrientes de falla. [7]

la ubicación de la UAM-A se muestra en la Figura 1,

RVP-AI/2014 – EDU-25 PONENCIA

RECOMENDADA POR EL COMITE DE EDUCACION DEL

CAPITULO DE POTENCIA DEL IEEE SECCION

MEXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION INTERNACIONAL DE VERANO, RVP-AI/2014,

ACAPULCO GRO., DEL 20 AL 26 DE JULIO DEL 2014.

EDU-25

Figura 1. Ubicación de la UAM-A.

Figura 2. Edificio W de la UAM-A

.

III. ESTUDIO DE MECÁNICA DE SUELOS PARA EL EDIFICIO

W DE LA UAM-A EN MÉXICO, D. F. [8]

Los trabajos de campo y laboratorio, realizados para definir la

cimentación del edificio W de Ciencias Básicas e Ingeniería, que se

proyectó para construir en la UAM-A, fueron de utilidad para conocer

el tipo de suelo de dicho lugar, y poder tener una mejor noción en la

medición de la resistividad para el SPT. Los trabajos de campo

realizados para determinar la resistencia del suelo, mediante un

sondeo mixto selectivo a 25.15 m y dos sondeos a cielo abierto a 3.10

m. cada uno. Con la exploración geotécnica se obtuvieron muestras

inalteradas y representativas a profundidades que fueron

seleccionadas, conforme a sondeos realizados por Ingeniería

Experimental S.A. de C.V. en sitios cercanos al edificio. Desde el

punto de vista geotécnico, la cimentación más adecuada para la

estructura fue mediante un cajón de compensación parcial

desplantado a 2.5 m. de profundidad. Para la definición de la solución

de cimentación, se tomaron en cuanta la estratigrafía del suelo, las

propiedades de resistencia y deformabilidad de los estratos que lo

constituyen. Finalmente se tomarón en cuenta las conclusiones del

estudio y las recomendaciones generales que se consideraron en el

diseño y durante la construcción. El terreno es sensiblemente plano y

en toda la colindancia oriente se ha depositado cascajo con una altura

de hasta 1.2 m, el resto del predio aparentemente no ha tenido

sobrecargas que pudieran haber afectado las propiedades del subsuelo

desde el punto de vista geotécnico.

Los objetivos del estudio de mecánica de suelos fueron, evaluar la

capacidad de carga del suelo sobre el cual se desplantó el edificio,

definir el tipo de cimentación que ofreció estabilidad y buen

comportamiento al edificio a corto y largo plazo, considerar la

estratigrafía y las propiedades de los estratos naturales, las

características del proyecto y la construcción por etapas.

Figura 3. Zonificación geotécnica.

IV MATERIALES DE PUESTA A TIERRA

Electrodos de puesta a tierra

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [9] (250-26c), los

electrodos de puesta a tierra de los sistemas eléctricos deben estar

accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de unión

principal del sistema.

De acuerdo con la norma oficial mexicana [9] (250-8), el sistema de

electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los siguientes

tipos de electrodos (siempre que existan):

Tubería metálica de agua enterrada.

Estructura metálica del inmueble.

Electrodo empotrado en concreto (Ufer)

Anillo de tierra.

Cuando no se dispone de alguno de los electrodos mencionados en el

punto anterior, la norma oficial mexicana [9] dispone que se puedan

usar uno o más de los electrodos siguientes:

Electrodos de varilla o tubería.

Electrodos de placa

Estructuras metálicas subterráneas.

Dentro de las estructuras metálicas subterráneas se encuentran:

Electrodos para puesta a tierra en radio frecuencia

Electrodos para puesta a tierra de pararrayos

Mallas

Por ser de interés en el diseño e implementación del SPT nos

enfocaremos a las mallas.

Mallas

La norma oficial mexicana de instalaciones eléctricas requiere de un

sistema enmallado de tierra con múltiples electrodos y conductores

enterrados, cuando están involucradas tensiones y corrientes eléctricas

muy altas, con el fin de minimizar los riesgos al personal en función

de la tensión eléctrica de paso y de contacto [9]

La malla consta de una red de conductores enterrados a una

profundidad que usualmente varía de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela

y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad

del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.

El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo

de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo

eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan

altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área

y terminales cercanas [9].

En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse

rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde

se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas

de la malla, los conductores deben conectarse a electrodos de varilla o

tubo de 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente. Los cables

que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las

hileras de estructuras o equipo para facilitar la conexión a los mismos,

ya que es una práctica común de ingeniería aterrizar a dos cables

diferentes todos los equipos.

El cálculo de la malla requerida para subestación de potencia

cumpliendo con el voltaje de paso y de contacto se encuentra en la

norma (IEEE Std 80) aquí se muestra el cálculo del calibre mínimo

del conductor de la malla para resistir las corrientes de falla.

Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras de una

subestación deben ser de tipo de compresión o soldables. Los cables

empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable,

acero galvanizado, y cobre. Para evitar la corrosión galvánica en

terrenos de baja resistividad, algunas compañías eléctricas desde el

diseño utilizan en sus mallas de tierras, cable de cobre estañado para

bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales.

El cobre aún es el material más utilizado porque tiene buena

conductividad, es resistente a la corrosión y tiene un punto elevado de

fusión (1083 C), y dentro de los cables de cobre, se prefiere en el

orden por su baja resistencia: temple suave, temple semiduro, temple

duro.

En la NOM-022-STPS-1999 se define el término resistividad, como la

resistencia que ofrece al paso de la corriente un cubo de terreno de un

metro por lado. De acuerdo con la NOM-008-SCFI-1993, Su

representación dimensional debe estar expresada en Ω-m, cuya

acepción es utilizada internacionalmente.

La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y ancho del

globo terrestre, estando determinada por: Sales solubles, Composición

propia del terreno, Estratigrafía, Granulometría, Estado higrométrico,

Temperatura, Compactación.

Los terrómetros deben estar certificados y probados en el campo con

una resistencia antes de realizar las mediciones.

Como la medición obtenida por un terrómetro es puntual, se deben

hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero, y, en

el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un

terreno, es común encontrar valores muy dispares, causados por la

geología del terreno, por lo que es una práctica común de una tabla

con lecturas, el eliminar los valores que estén 50% arriba o abajo del

promedio aritmético de todos los valores capturados. En este trabajo

se uso el Megger de la Figura 4.

Figura 4. Megger de Cuatro Terminales.

V. METODOLOGÍA Y MEMORIA DE CÁLCULO

La metodología a utilizar es la propuesta por la IEEE std 80-2000, la

cual sigue los siguientes pasos:[1]

Criterios considerados al medir la resistividad del terreno para la

elaboración del SPT.

La profundidad de los electrodos no deben sobrepasar los 30 cm.

Se deben realizar mediciones en diferentes direcciones para un

mismo sondeo debido a las diferentes características de los suelos.

Medición de la resistividad del terreno.

Se midió la resistividad del terreno donde se pretende construir el

sistema de puesta a tierra. En donde la medición de la resistividad del

terreno es el punto más importante para el diseño de sistemas de

puesta a tierra. Ya que la resistividad será un factor determinante en el

valor de resistencia a tierra que pueda tener un electrodo enterrado,

puede determinar a la profundidad a la que será enterrado para poder

obtener un valor de resistencia bajo.

El método a utilizado para la medición del terreno donde se construirá

la puesta a tierra es el de Wenner, que radica su funcionalidad en el

principio de la caída de potencial.

Figura 5. Disposición de los electrodos para el método de Wenner

En donde se siguió la siguiente configuración y el siguiente

procedimiento.

Se clavaron cuatro electrodos separados por una distancia “a” (0.75

m) y a una profundidad b=15 cm.

Por medio de los electrodos externos se inyectó corriente, mientras

que en los electrodos intermedios se midió potencial (en función de

la resistencia), utilizando como instrumento de medición el megger.

El terreno se dividió mediante dos líneas ortogonales sobre las

cuales se hicieron para el arreglo de electrodos.

Para asegurar la medición de la resistividad del terreno se pasaron dos

líneas de 45° de las primeras sobre las cuales también se pasó el

arreglo de electrodos.

Los valores que se obtuvieron una vez efectuada la medición

respectiva de resistencia, fueron situados en la ecuación (1)

obteniendo un valor promedio de resistividad aparente a una

profundidad equivalente a la distancia “a” entre los electrodos: [4,10,

11]

𝜌 =4𝜋𝑎𝑅

1+2𝑎

√(𝑎2+4𝑏2−

𝑎

√(𝑎2+4𝑏2

(1)

Donde: a= Distancia entre electrodos en metros

b= Profundidad del electrodo en metros

Rtierra= Valor de resistencia de puesta a tierra obtenido en la

medición (Ω)

Si a > 20b la expresión anterior se puede aproximar a:

𝜌 = 2𝜋𝑎𝑅𝑡𝑖𝑒𝑟𝑟𝑎 (2)

Con el proceso anterior se obtuvó como resultado diferentes valores

de resistividad, que al final nos dio un valor promedio de resistividad

total para cada punto los mismos que se dan en la tablas 2 y 3.

Tabla 2 Valores de resistividad promedio. Clavando los cuatro

electrodos a una distancia a= 0.75 cm con profundidad b=22 cm.

Dirección norte-sur (Ω) Dirección este-oeste (Ω)

59.1 55.4

58.2 56.1

𝜌𝑚1 = 58.65Ω ∗ 𝑚 𝜌𝑚2 = 58.75Ω ∗ 𝑚

Tabla 3 Valores de resistividad promedio. Clavando los cuatro

electrodos a una distancia a= 0.75 cm con profundidad b=15cm.

Dirección norte-sur (Ω) Dirección este-oeste (Ω)

64.9 67.5

65.2 66.8

𝜌𝑚3 = 65.05Ω ∗ 𝑚 𝜌𝑚3 = 67.15Ω ∗ 𝑚

Se obtiene el promedio ρm= 61.75Ω

Cálculo y diseño de la malla para SPT.

El valor de la resistividad del terreno se midió en estado natural es

decir sin un tratamiento para disminuir su resistividad, posteriormente

se tratará químicamente el terreno para disminuir la resistividad, lo

cual servirá para medir la resistencia de puesta a tierra final.

Corriente de corto circuito de falla a tierra:

Para la determinación de las corrientes de corto circuito, se utilizó

como potencia de cortocircuito 40MVA trifásico, en la acometida de

la subestación.

Y se calculó con la siguiente ecuación:

𝐼𝑐𝑐 =𝑀𝑉𝐴

√3𝐾𝑉 (3)

Donde: Icc = Corriente de corto circuito trifásica en A.

MVA = Potencia de cortocircuito trifásica en MVA

(40MVA para un transformador de 100 KVA)

KV = Tensión de suministro en KV.

Ajuste de la corriente de falla.

Cualquier ampliación que sufra este sistema posteriormente a lo

considerado, será en forma de transformadores independientes, por lo

que este factor es igual a uno (A=1).

Por tiempo de duración de la falla.

Se considera que al ocurrir una falla a tierra, los interruptores operan

eliminando la falla del sistema, lógicamente habrá un tiempo de

duración de la falla menor a 0.1 s que equivale a 6 ciclos, por esta

razón se aplicará un factor de 1.25 (D = 1.25) según la tabla 4.

Tabla 4. Fuente: IEEE Std. 80

Duración de la falla (ciclos) Factor de Decremento (D)

0.5 1.65

6 1.25

15 1.10

30 ó más 1.10

Entonces la corriente de corto circuito trifásica en A quedará:

𝐼𝑐𝑐 = 𝐼𝑐𝑐 ∗ 𝐴 + 𝐷 (4)

Donde: A = Factor de seguridad.

D = Factor de decremento.

Diseño de malla propuesto

Para el diseño, comenzamos proponiendo una posible malla, con la

cual realizaremos los cálculos para comprobar si nuestra ésta cumple

las expectativas de acuerdo a la norma IEEE.

Cable de cobre desnudo recomendado por la IEEE Cal. 2/0 AWG,

para construir mallas

Electrodo de tierra 10 mm de diámetro

L = Longitud de conductor a utilizarse (L) = 18 m

Longitud afectada por profundidad subterránea = 1.80 m

Área (A) = ancho x largo = 4 m2

Número de conductores transversales (N) = 6

Figura 6. Malla propuesta.

Radio equivalente en m (r). Se calculó mediante la ecuación.

𝑟 = √𝐴𝑟

𝜋 (5)

Donde: Ar = Área total encerrada por la malla propuesta (3.24 m2)

Resistencia esperada en la malla en Ω:

𝑅 =𝜌

4𝑟+

𝜌

𝐿 (6)

Figura 7. Malla diseñada

Cálculo del conductor

Cálculo de la sección del conductor:

De la tabla de Onderdonk, considerando que para la construcción de

la malla se utilizarán conexiones soldables (autógena) y una falla con

duración menor a los 0.1 segundos, se tiene que el calibre mínimo

recomendado para evitar la fusión del cable se determina con la

constante 6.5 C.M/A. Por lo que la sección del conductor en mm2 es:

𝑆 = 𝐼𝑐𝑐 ∗ 𝐾𝑂𝑁 (7)

Donde: KON = Contante de Onderdonk.

Partiendo de la ecuación:

𝑅 =𝜌∗𝐿

𝑆 (8)

Debido a la exigencia de la norma IEEE el cable mínimo a colocarse

será el de cobre desnudo #2AWG, este cable será utilizado para la

construcción de la malla. Se justifica el uso del conductor ya que al

aumentar la sección disminuye la resistencia, lo cual es importante

para poder despejar la corriente de falla eficientemente.

Tabla 5. Sección mínima de los conductores de protección Capacidad nominal o ajuste del dispositivo

automático de sobrecorriente ubicado antes del

equipo, tubería, etc. No mayor de

(A)

Sección nominal del

conductor de protección

(cobre) (mm2)

15 2

20 3

60 5

100 8

200 16

400 25

800 50

1000 70

1200 95

2000 120

2500 185

4000 240

600 400

Cálculo de la longitud necesaria del conductor: [12]

𝐿𝑟 = 𝑛𝑒1 ∗ 𝑥 + 𝑛𝑒2 ∗ 𝑦𝑅 (9)

Donde: ne1 = número de electrodos horizontales en la malla.

x = longitud del lado vertical de la malla (m).

ne2 = numero de electrodos verticales en la malla.

Para redes sin electrodos de tierra o redes con pocos electrodos

espaciados en la red pero ninguno localizado en las esquinas a lo

largo del perímetro la longitud efectiva es:

𝐿𝑀 = 𝐿𝐶 + 𝐿𝑅 (10)

Donde: LC= longitud total de conductores horizontales de la red (m)

LR= Longitud total de todas las varillas de tierra (m)

Debido a que la tensión máxima de malla debe ser menor a la tensión

de toque tolerable por el cuerpo humano, para lograrlo es necesario

preliminarmente, determinar la longitud mínima de los conductores de

la malla, por lo tanto para personas con peso promedio de 50 kg.

Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla

dentro de los límites de seguridad es:

𝐿𝑇 >𝐾𝑚∗𝐾𝑖∗𝜌∗𝐼𝐶𝐶∗√𝑡

116+0.17∗𝜌𝑆 (11)

Donde: Km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de

corriente a tierra.

t = Duración máxima de falla.

ρs = Resistividad en la superficie del terreno.

Cálculo del Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

𝐾𝑚 =1

2𝜋ln (

𝐷2

16ℎ𝑑) +

1

𝜋ln (

3∗5∗7∗…..∗(2𝑛−3)

4∗6∗8∗…..∗(2𝑛−2)) (12)

Donde: D= Espaciamiento entre conductores en la malla.

d= Diámetro de los conductores.

h = Profundidad subterránea del conductor.

n = Número de conductores transversales paralelos.

Cálculo del Factor de corrección por irregularidad del flujo de

corriente a tierra.

𝐾𝑖 = 0.65 + 0.172𝑛 (13)

.

Así que la longitud mínima de cable enterrado calculado en la Tabla 6

debe ser: 9m>5.42

Cálculo del potencial tolerable.

Máximo aumento de potencial en malla

𝐸 = 𝐼𝐶𝐶 ∗ 𝑅 (14)

Potencial soportable por el cuerpo humano Voltaje de paso:

La tensión de paso tolerable por una persona que tiene un peso

promedio de 50kg es:

𝐸𝑃𝑇 =116+0.7𝜌𝑆

√𝑡 (15)

La tensión de paso tolerable por una persona que tiene un peso

promedio de 70kg es:

𝐸𝑃𝑇 =157+0.7𝜌𝑆

√𝑡 (16)

Donde: EPT = Voltaje de paso tolerable para el cuerpo humano

t = Duración máxima de la falla.

ρs = Resistividad en la superficie del terreno.

Potencial soportable por el cuerpo humano voltaje de contacto:

La tensión de contacto tolerable por una persona que tiene un peso

promedio de 50kg.

𝐸𝐶𝑇 =116+0.17𝜌𝑆

√𝑡 (17)

La tensión de contacto tolerable por una persona que tiene un peso

promedio de 70kg.

𝐸𝐶𝑇 =157+0.17𝜌𝑆

√𝑡 (18)

Donde: ECT = Voltaje de contacto tolerable para el cuerpo humano.

Cálculo del potencial de contacto o de malla:

𝑉𝐶 =𝐾𝑚∗𝐾𝑖∗𝜌∗𝐼𝐶𝐶

𝐿𝑇 (19)

Cálculo del potencial de paso:

𝑉𝑝 =𝐾𝑠∗𝐾𝑖∗𝜌∗𝐼𝐶𝐶

𝐿𝑇 (20)

Cálculo del Factor de dimensionamiento:

𝐾𝑆 =1

𝜋(

1

2ℎ+

1

𝐷+ℎ+

1

2𝐷+

1

3𝐷+ ⋯ +

1

(𝑛−1)𝐷) (21)

Número mínimo de varillas requerido:

𝑁𝑣 = 0.60 ∗ √𝐴𝑟 (22)

Donde: Ar = Área total encerrada por la malla propuesta m2

Nv = 1 (se necesita una varilla de Cu, como electrodo principal, el

mismo que se conectará con la malla construida con el conductor de

cobre #2AWG.

Tabla 6. Resumen de los valores calculados Parámetro Valor

Ρm 61.75Ω*m

𝐼𝑐𝑐 1,004 A

R 1.128m

𝐼𝑐𝑐 (nueva corriente de falla) 1,255ª

R 17.12Ω

S 8,158 MCM

𝐿𝑟 18m

E 21,485.6 V

𝐾𝑚 0.024

𝐾𝑖 1.166

L 5.42m

𝐸𝑃𝑇 (peso promedio de 50kg) 502.96

𝐸𝑃𝑇 (peso promedio de 70kg) 632.61 V

𝐸𝐶𝑇 (peso promedio de 50kg) 399.89V

𝐸𝐶𝑇 (peso promedio de 70kg) 529.54V

𝑉𝐶 120.48V

𝐾𝑆 0.583

𝑉𝐶 2,801.1

𝑁𝑣 1.2

Resultados obtenidos.

Las condiciones de resistividad del terreno tienen homogeneidad lo

cuan permitió los buenos resultados obtenidos del cálculo anterior.

Como la resistencia que se obtendrá con la malla es de 17.12Ω, de

acuerdo a la tabla 7, es necesario agregar un tratamiento químico.

Tabla 7. Valores mínimos de resistencia de puesta a tierra Aplicación Valores máximos de

resistencia de puesta a tierra

Estructuras de líneas de transmisión 20Ω

Subestaciones de alta y extra alta tensión 1Ω

Subestaciones de media tensión 15Ω

Protección contra rayos 10Ω

Neutro de acometida en baja tensión 25Ω

Laboratorios y Cómputo 15Ω

Materiales requeridos.

Con el diseño y los cálculos obtenidos se diseñará la malla con los

siguientes materiales.

Tabla 8. Materiales requeridos. Ítem Cantidad Descripción

1 7 Varilla de Cu. 1.80x5/8

2 18 m Cable de Cu desnudo #2/0

3 Soldadura autógena

4 Electrodo autofundente al 10% de Ag.

5 4 Abrazaderas EMT ½

6 2 Abrazaderas EMT ¾

7 8 Conector para cable a tubo CAT. GAR1829, MCA.

BURNDY.

8 8 Tornillos de cabeza hexagonal

9 12Kg Gel para tierra

Mejoramiento del terreno para disminuir la resistencia de

puesta a tierra.

Los cálculos establecidos en el punto anterior fueron efectuados con

un valor de resistividad del terreno en estado natural, entendiéndose

que este no posee ningún tratamiento químico, el objetivo en este

punto es disminuir la resistividad del sistema de puesta a tierra,

mediante la adición de sales, carbón y gel, posteriormente se

determinará la efectividad de estos procesos cuando se mida la

resistencia de puesta a tierra en el punto designado.

Se conoce que con el tratamiento químico del terreno se consigue

reducciones en la resistencia de puesta a tierra de electrodos que van

del 40% al 85% del valor original sin tratamiento, luego de elaborar

los respectivos cálculos y el diseño ahora se procederá a la

construcción del sistemas de puesta a tierra en el laboratorio de

máquinas eléctricas. [7]

Tratamiento químico del suelo mediante la adición de gel.

El tratamiento químico del suelo surge como un medio parta mejorar

y disminuir la resistencia del SPT sin necesidad de utilizar gran

cantidad de electrodos.

El tratamiento consiste en incorporar al pozo los electrolitos que

aglutinados bajo la forma de un gel mejoraran la conductividad de la

tierra y retiene la humedad en el pozo por un periodo prolongado de

manera que se garantiza una efectiva reducción de la resistencia

eléctrica y una estabilidad que no se vea afectada por las variaciones

del clima.

La cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del sistema de puesta

a tierra, varía de 1 a 3, y está en función de la resistividad natural del

terreno. [7]

1. Se implementará la instalación del sistema de puesta a tierra.

2. Se realizarán las comprobaciones y verificaciones del sistema de

puesta a tierra, efectuando los cambios necesarios que permitan

alcanzar valores de tensión aplicada inferiores o iguales a los

máximos admitidos.

Al final de la construcción del SPT se procederá a medir la resistencia

de puesta a tierra, en donde será notable el decremento resistivo, así

está bajo los rangos de resistencia establecidos.

VI. COMPROBACIÓN DE LA PUESTA A TIERRA.

Las razones de efectuar las comprobaciones de puesta a tierra son las

siguientes:

La medida de la resistencia del conductor de tierra es una prueba

de continuidad.

Comprobar que la continuidad con tierra del conductor es capaz

de derivar a la misma grandes corrientes de fuga.

Asegurarse que el electrodo de tierra, se encuentra conectado de

una manera efectiva con la masa general de tierra.

La conexión de tierra de una instalación eléctrica es la unión que

garantiza de una manera esencial su seguridad.

Medida de la resistencia de continuidad con tierra del conductor

conectado con ella.

Instrumento: Óhmetro (no del tipo para medir aislamientos o

dispositivos con timbre).

Lectura.

La resistencia máxima permisible en una instalación que utilice

conductos de acero es de 0.5 Ω o de 1 Ω cuando un conductor de

cobre es utilizado para establecer la continuidad con tierra.

Normas I.E.E. que se refieren a la comprobación de puesta a tierra.

1.- Si un conductor del tipo de cubierta metálica C.C.E. o C.P.V. se

utiliza como conductor para la puesta a tierra, éste debe estar

constituido de acuerdo a la tabla 5 de las normas I.E.E.

2.- Cuando se utiliza un conductor separado para establecer la

continuidad con tierra, el tamaño mínimo permisible es de 7/0.07366

cm; el máximo es de 19/0.21092 cm; pero no menos de la mitad de la

sección recta del conductor debe ser protegido.

3.- Es esencial que todas las juntas que se realicen en un conductor de

continuidad con tierra sean mecánica y eléctricamente buenas. La

continuidad con tierra del conductor debe ser también protegida

contra la corrosión

Medida de la continuidad del conductor de puesta a tierra por

medio de la inyección de una corriente.

En este método una corriente alterna de 1½ veces la corriente que

circula por el subcircuito final, o de un máximo de 25 A, se inyecta a

través del conductor que establece la continuidad con tierra. La

impedancia total no deberá ser mayor que 1 Ω.

Método de la inyección de corriente para medir la resistencia del

conductor de continuidad con tierra.

Aparatos.

Un transformador de doble arrollamiento (240 V de máximo a 40 V);

un amperímetro (0-30 A); una resistencia variable; un voltímetro (0-

50 V)

Lectura.

Esto se determina por la siguiente fórmula tomando en cuenta que la

máxima lectura permisible es de 1Ω:

𝑖𝑚𝑝𝑒𝑑𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒

𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒(Ω) (23)

Comprobación de la impedancia del camino que sigue hasta el

transformador la corriente de fuga a tierra por el defecto.

El camino mencionado es el que sigue la corriente de fuga al retornar

hacia el transformador conectado en la comprobación cuando existe

una fuga a tierra en la instalación, provocada por un defecto.

1.- La corriente de fuga fluye desde el conductor que tiene el defecto

hacia el conductor de continuidad con tierra.

2.- Fluyendo después a lo largo del conductor de continuidad con

tierra hacia el conductor de unión con el enterrado.

3.- El conductor de unión con el enterrado (el que va desde el

electrodo de tierra hacia el conductor de continuidad con ella) lleva la

corriente hacia el electrodo de tierra.

4.- La corriente de fuga toma ahora el camino más corto para retornar

hacia el neutro del transformador conectado con tierra que se utiliza

como fuente de alimentación.

El propósito de comprobar esta impedancia es el de demostrar que el

camino que sigue la corriente de fuga a tierra hacia el transformador

es susceptible de provocar el paso de corrientes de fuga importantes,

por lo que mecanismos protectores (p. e., fusibles) deben ser actuados

cuando se presenten corrientes de fuga entre el conductor de línea y la

parte metálica de la instalación conectada a tierra.

Aparatos

Comprobador de circuito línea-tierra.

Lectura

La lectura mínima permisible depende de las condiciones de

operación, pero los dos factores principales son:

1.- La corriente que obra en el fusible o el interruptor de protección

del circuito.

2.- La fuente de alimentación.

Los factores que determinan la resistencia del camino de retorno de

fuga son los siguientes:

1.- La continuidad del circuito metálico a partir del electrodo de tierra

(el conductor de continuidad con tierra y el de conexión con ella).

Normas del I.E.E. que se refieren al conductor de conexión con

el electrodo de tierra.

El tamaño mínimo del conductor citado es el de 7/0.07366 cm (0.029

in). No debe ser menor que la mitad del área de la sección recta del

mayor de los conductores que debe ser protegido, excepto cuando el

tamaño máximo necesario es de 19/0.21082 cm (0.083 pulg.). El

conductor de conexión con el electrodo de tierra deberá ser protegido

contra los daños mecánicos y la corrosión y la pieza de sujeción que

se utilice para conectarle con el electrodo de tierra no deberá ser de

material férrico y deberá ser accesible a la inspección.

La resistencia del terreno de la zona es el nombre por el que se

designa a la resistencia del terreno que rodea el electrodo de tierra.

La resistencia del terreno de la zona se mide como se especifica a

continuación.

1.- Una corriente alterna (de una tensión máxima de 40 V) se conecta

entre el electrodo principal de tierra A y un electrodo auxiliar B,

situado a unos 30 m de A. Un amperímetro se pone en serie con la

fuente de alimentación para medir la corriente que fluye en el circuito.

2.- Un segundo electrodo auxiliar C se sitúa entre A y B y se mide el

voltaje (diferencia de potencial) que existe entre A y C. La resistencia

de la zona de terreno, se determina tomando varias lecturas a partir

del punto A hacia el punto B:

𝑅 =𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝐴 𝑦 𝐶

𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 (24)

Al exterior del área de terreno referenciada, la resistencia es

constante, dando una línea horizontal cuando se traza gráficamente.

VII. CONSIDERACIONES Y RECOMENDACIONES [12]

Los sistemas de puesta a tierra como elementos de una instalación

eléctrica, deben inspeccionarse y recibir mantenimiento por ello se

deberá:

Realizar las mediciones de resistividad o de resistencia con un

clima adecuado, es decir cuando no llueva.

Al medir la resistencia de puesta a tierra se debe realizar a una

distancia de 3 a 5 veces la diagonal mayor de la malla, para que

no se produzca interferencia de la corriente inyectada por el

megger, ya que produce que el equipo de una señal de falla y el

valor obtenido no sea exacto.

Como protección se deben utilizar guantes de cuero a la hora de

realizar el proceso de soldado de los electrodos para la malla, ya

que se puede ocasionar quemaduras.

Si en el futuro se realizan trabajos de excavación o construcción

en el lugar en que se encuentra aislada la malla de puesta a

tierra, se deberán tomar en cuenta el área y la profundidad para

no ocasionar daños al conductor o a las barras de la malla.

Se recomienda una vez implementado el diseño realizar las

respectivas conexiones entre la barra de tierra y las carcasas de

los motores. De esta manera estarán protegiendo equipos y

personas, como se menciono en los capítulos anteriores.

El sistema de tierra se establece por medio de cable de cobre

desnudo del calibre indicado, el cual conecta al equipo eléctrico

y partes metálicas de la instalación no portadoras de corriente.

Figura 8. Plano de localización de la Malla diseñada

VIII. REFERENCIAS.

[1] IEEE Std 80-2000, (Revision or IEEE Std 80-1986), Guide for Safety in AC Substation Grounding.

[2] NOM-011-STPS-2001. Condiciones de seguridad e higiene en los

centros de trabajo donde se genere ruido. [3] El ABC de las instalaciones eléctricas industriales, Ing. Enríquez

Harper Gilberto, México, Limusa.

[4] Serway, R. A. Electricidad y Magnetismo (Tercera edición ed.). Mc.GRAW-HILL.

[5] Steven M. Kaplan. (Jan 22, 2004). Wiley Electrical and Electronics

Engineering Dictionary . En P. Laplante. Editorial Board. [6]Munayco Candela Luis Miguel, Fundamento Físico de una puesta a

tierra. Facultad: Ing. Electrónica y Eléctrica, E.A.P: Ing. Eléctrica.

http://www.monografias.com/trabajos67/seguridad-laboratorio-pozo-tierra/seguridad-laboratorio-pozo-tierra2.shtml

[7] http://www.articulo.tv/?Importancia-tierra-fisica&id=379 . (s.f.). [8] Oliva Olvera, Marlen Eliacim, Diseño e Implementación de un

Sistema de Puesta a Tierra para el Laboratorio de Máquinas Eléctricas

del Edificio W, Licenciatura en Ingeniería Eléctrica, Proyecto Terminal,UAM Azcapotzalco, México, DF,16 Julio 2013

[9] "NOM-SEDE-001-2005 Instalaciones Eléctricas (utilización)". Diario

Oficial de la Federación 13 Marzo 2006. [10] Electrotecnia de potencia curso superior, Wolfgang Muller, Editorial

Reverté, 1984, norma V.

[11] Secretaría General de Obras del Departamento del Distrito Federal,

“Manual de Explotación geotécnica”, México, D.F. 1988. [12] Pomatoca Tiuquinga, Mauro Danilo, Sistema Puesta a Tierra para

el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la Escuela de Ingeniería

Electrónica, Tesis de Ingeniería, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica, Rio Bamba,

Ecuador. 2010

Figura 9. Fotografías de construcción de la Malla [6,8]

IX. AGRADECIMIENTOS.

Los autores agradecen a Ingeniería Experimental S.A. de C.V. por el

estudio de suelos proporcionado y al M. en C. José Antonio Castillo

Jiménez por su apoyo.

X. CURRICULUM VITAE

Marlen Eliacim Oliva Olvera. Nació en San

Francisco Mazapa, Teotihucan, Edo. México. Es

egresada como Ingeniera Electricista por la Universidad Autónoma Metropolitana Unidad

Azcapotzalco el 16 de julio del 2013. Con un

Proyecto Terminal relacionado con este artículo. Actualmente trabaja en la empresa NICSA México

SA de CV.

Carlos Alberto Rivera Salamanca Licenciado

en Electricidad egresado de la Universidad

Pedagógica y Tecnológica de Colombia (1983). Maestro en Ciencias en Ingeniería Eléctrica y

Doctor en Ciencias en la SEPI-ESIME-IPN

(1989 y 2000 respectivamente). Desde 1990 es Profesor Investigador en la UAM-Azcapotzalco.

Ha dirigido y participado en Proyectos de

Investigación en la UAM.