INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA.

UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO.

INGENIERÍA ELÉCTRICA.

TESIS

ESTUDIO TÉCNICO DEL ANÁLISIS DE LA

CORROSIÓN EN SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

BASILIO GUTIÉRREZ ABEL.

ROMERO RODRÍGUEZ YOCELIN.

ASESORES:

ING. NAVARRO BUSTOS RUBÉN DE JESÚS.

M. EN C. HERNÁNDEZ LEDESMA DAVID.

LIC. FEREGRINO LEYVA BLANCA MARINA.

CIUDAD DE MÉXICO, JULIO 2015.

A mi madre, por el apoyo que me ha dado a lo largo de mi formación profesional. Siempre esforzándose por hacer de mí una persona de

bien, brindándome incondicionalmente lo mejor, por ser un ejemplo de fortaleza, lucha y perseverancia.

A mi hermano, de quién también he recibido apoyo como familia.

A Yocelin, porque entre los dos cumplimos el objetivo de terminar este trabajo, por el apoyo y cariño que me has dado y ser una persona especial para mí.

A mis profesores que a lo largo del camino recorrido me han

transmitido sus conocimientos y me han preparado con las herramientas básicas para enfrentar la vida profesional.

A todos mis familiares, amigos y compañeros que creyeron en mí y me brindaron sus consejos.

A todos… ¡Muchas Gracias!

Abel Basilio Gutiérrez

Agradezco a mi familia que sigue conmigo, a pesar de no estar de acuerdo con mi gusto por la carrera, no me negaron el deseo de

estudiar en un ambiente diferente al que se acostumbra en el lugar donde crecí.

Gracias a mis padres por el apoyo incondicional en lo personal y en mi formación profesional; a mi mamá por exigirme más de lo que daba, por siempre llevarme al límite; a mi papá por no dejarme sola y por darme ese ejemplo de siempre dar más, sin importar lo que diga la gente.

Gracias a Melissa (mi hermana) ella me enseñó a no dejarme caer, a seguir adelante, que no hay límites, que NUNCA se dice NO PUEDO.

Gracias a ti Abel por el apoyo que me das, por seguir cerca de mí y por el cariño que me has brindado.

Y a pesar de las trabas de ser mujer, de las preferencias a las que me enfrente; ni mi familia, amigos, compañeros y profesores me negaron el apoyo incondicional, en mi formación profesional.

Y a todos aquellos que me dijeron que iban a estar conmigo y ahora no están, gracias por quitarse del camino y enseñarme siempre algo nuevo.

¡Muchas gracias!

Yocelin Romero Rodríguez

I

ÍNDICE Introducción. VI Objetivo. IX Justificación. IX Capitulo I. Descripción del sistema de tierra y sus características fundamentales.

1.1 Origen de las corrientes de tierra. 2 1.1.1 Importancia de la dispersión a tierra de las

sobrecorrientes. 3

1.2 Peligrosidad de la corriente eléctrica. 4 1.2.1 Efectos fisiológicos. 4 1.2.2 Límites de peligrosidad de la corriente eléctrica. 4 1.2.2.1 Sensibilidad del cuerpo ante las corrientes. 5 1.2.3 Tensión de paso 6 1.2.4 Tensión de contacto 6 1.3 Sistema de tierra. 7 1.3.1 Instalación de puesta a tierra. 7 1.3.2 Partes generales de un sistema de tierra. 8 1.4 Tipos de electrodos utilizados en la puesta a tierra. 8 1.4.1 Sistemas de electrodos. 9 1.5 Clasificación de sistemas de tierra. 9 1.6 Condiciones de los terrenos. 10 1.7 Normatividad. 11 1.7.1 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012.

INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). Artículo 250. Puesta a Tierra y Unión.

12

1.7.2 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). Artículo.921 Puesta a tierra

14

Capítulo II. Causas y efectos de la corrosión. 2.1 Qué es la corrosión. 19 2.1.1 Por qué se presenta la corrosión en los metales. 19 2.1.2 Clasificación de corrosión. 20 2.2 Corrosión electroquímica. 23 2.2.1 Electrodo de referencia. 25 2.3 Corrosión en suelos. 29 2.3.1 Agresividad del suelo en función de su resistividad, PH

Y Potencial Redox. 30

2.3.2 Corrosión por aireación diferencial. 32 2.3.3 Corrosión por par galvánico. 33 2.3.4 Corrientes vagabundas. 34 2.3.5 Medición de la resistividad del suelo. 35 2.3.5.1 Determinación de la resistividad por el método de

los cuatro electrodos. 36

II

2.4 Protección de los metales frente a la corrosión. 38 Capítulo III. Solución técnica para reducir la corrosión. 3.1 Fundamentos de la solución propuesta. 40 3.1.1 Protección catódica. 40 3.1.2 Protección catódica por el método de ánodos de

sacrificio. 40

3.2 Datos del estudio. 41 3.2.1 Especificaciones de los materiales a emplear. 42 3.2.1.1 Especificaciones del ánodo de zinc. 42 3.2.1.2 Especificaciones del cátodo de cobre. 43 3.3 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica por ánodos de sacrificio.

44

3.3.1 Vida útil de los ánodos. 44 3.4 Tratamiento químico del suelo 47 Capítulo IV. Análisis Costo-Beneficio de la solución técnica. 4.1 Datos del sistema de tierra. 50 4.2 Cálculo del número de ánodos de sacrificio a

emplear. 64

4.3 Costo del material a utilizar. 67 4.3.1 Análisis sin emplear ánodo de sacrificio. 67 4.3.2 Análisis empleando ánodos de sacrificio para

protección de todo el sistema de tierra. 67

4.4 Análisis de costos de las propuestas. 68 Capítulo V. Conclusiones y recomendaciones. Anexo. Glosario Bibliografía

III

ÍNDICE DE FÍGURAS

Figura 2.1. Dirección del flujo de corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión. [Fuente: Más allá de la herrumbre,

Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 30]

24

Figura 2.2. Corrosión por aireación diferencial. Corrosión de una tubería que atraviesa terrenos de naturaleza diferencial. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 113]

32

Figura 2.3. (a) Corrosión de una conducción principal de acero por la conexión de una derivación de cobre. (b) Disolución del zinc de una tubería de acero galvanizado que ha sido conectada a una conducción principal de acero. [Fuente: Más allá

de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 114]

33

Figura 2.4. Mecanismo de corrosión de una tubería por efecto de las corrientes vagabundas que provienen de un sistema de tracción eléctrica. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la

corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 115]

34

Figura 2.5. (a) La resistividad (𝜌) en Ω-m es numéricamente igual que la resistencia (R) en ohms en un cubo de un cm de arista. (b) Resistencia de un sólido rectangular. (c) Caja de suelo. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier

Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 117]

35

Figura 2.6. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La distancia (b) o sea la profundidad a la que está enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser pequeña comparada con la distancia (a) entre los electrodos. [Fuente: CFE, NRF-011-CFE- Sistema de Tierra

para Plantas y Subestaciones Eléctricas, página 12]

36

Figura 4.1. Dimensiones del terreno. [Fuente: Basilio y Romero] 50

Figura 4.2. Malla de tierra calculada. [Fuente: Basilio y Romero]

Figura 4.3. Características del ánodo de sacrificio. [Fuente:

Conduzinc, www.conduzinc.com] 61

Figura 4.4. Malla de tierra con ánodos de sacrificio. [Fuente: Basilio

y Romero]

IV

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.

[Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila

Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 30]

28

Tabla 2.2. Grado de agresividad del suelo en función de la

resistividad. [Fuente: Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión,

Javier Ávila Mendoza y Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página

110]

30

Tabla 2.3. Grado de agresividad del suelo por bacterias

sulfato-reductoras en función del potencial redox. [Fuente: Más allá

de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y Joan

Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 111]

31

Tabla 2.4. Determinación de la agresividad de suelos. [Fuente:

Más allá de la herrumbre II. La lucha contra la corrosión, Javier Ávila Mendoza y

Joan Genescá Llongueras, la ciencia para todos, página 112]

31

Tabla 3.1. Composición química de ánodos de zinc (valores en

porcentaje en peso). [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño

Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 29]

43

Tabla 3.2. Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc.

[Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de

los Sistemas de Protección Catódica, página 29]

43

Tabla 3.3. Propiedades electroquímicas de ánodos de

sacrificio. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y

Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 14]

45

V

Tabla 3.4. Consumo de ánodos. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-

2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica,

página 16]

46

Tabla 3.5. Características del material de relleno para ánodos

galvánicos. [Fuente: PEMEX, NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y

Mantenimiento de los Sistemas de Protección Catódica, página 28]

47

Tabla 4.1. Constante de materiales. [Fuente: CFE, NRF-011-CFE-2004

Sistema de Tierra para Plantas y Subestaciones Eléctricas, Página 17 de 24]

52

Tabla 4.2. Primera condición para el sistema de tierra. [Fuente:

Basilio y Romero]

60

Tabla 4.3. Segunda condición para el sistema de tierra. [Fuente:

Basilio y Romero]

61

Tabla 4.4. Tercera condición para el sistema de tierra. [Fuente:

Basilio y Romero]

62

Tabla 4.5. Precio de los materiales. [Fuente: Basilio y Romero] 67

Tabla 4.6. Costo de la instalación sin ánodos de sacrificio.

[Fuente: Basilio y Romero]

67

Tabla 4.7. Costo de la instalación con 7 ánodos de sacrificio.

[Fuente: Basilio y Romero]

68

Tabla 4.8. Inversión a 24 años de un sistema sin protección.

[Fuente: Basilio y Romero]

68

Tabla 4.9. Inversión a 24 años de un sistema con protección.

[Fuente: Basilio y Romero]

69

Introducción.

Se muestra una vista panorámica acerca de los temas a tratar en éste

trabajo. Se consideran varios puntos importantes como precedentes para la

realización del estudio.

VII

Un sistema de tierra es la principal protección para limitar las tensiones impuestas por

descargas atmosféricas, sobretensión en la línea, contacto no intencional con líneas de

tensión mayor y estabilizar la tensión a tierra durante la operación normal.

Actualmente, los sistemas de puesta a tierra que sufren problemas de corrosión se ven

perjudicados por diversos factores que producen el deterioro de los mismos.

Algunos de estos factores pueden ser producidos por el aire en las fracturas o por el

agua, estamos hablando de la producción de un exceso de humedad producido en el

sistema. Pero hay que recordar que existen dos tipos de corrosión, corrosión química y

por la unión de dos o más conductores con diferentes niveles de conductividad.

Para dar solución a la problemática anterior el sistema debe tener las características de

ser un circuito de baja impedancia desde cualquier punto del alambrado.

En la operación normal del sistema de tierra y bajo las condiciones que es instalado se

presentan los efectos de corrosión, en secuencia un incremento de la impedancia del

sistema.

Los sistemas de tierra como elemento de protección primaria requieren de su diseño y

construcción, cumplir con las condiciones que establecen la norma y la ingeniería. Uno

de los elementos agresivos al sistema es la corrosión que afecta severamente su nivel

de protección, razón por la cual el presente estudio describirá las causas y consecuencias

de este fenómeno y la forma de disminuir sus efectos nocivos.

Los circuitos y sistemas eléctricos se conectan a tierra para:

Limitar la magnitud de tensión excesiva, por ondas de entrada en las líneas de

mayor tensión y por descargas atmosféricas.

Proporcionar potencial cero a tierra para los gabinetes, carcazas y equipo no

conductor.

VIII

Da facilidad de apertura a los dispositivos de protección, instalados y para proteger

los conductores del circuito; en caso de fallas a tierra.

A su vez esto proporciona:

Seguridad para los usuarios.

Seguridad para los equipos conectados al sistema.

La tierra dentro de las instalaciones eléctricas, está involucrada en la parte de diseño,

construcción y operación del sistema eléctrico; un asunto de seguridad industrial y salud

ocupacional.

Un diseño inadecuado o mal montaje de un sistema de puesta a tierra puede derivar en

la aparición de sobretensiones debido a que no se está drenando correctamente a tierra

estos excesos de tensión, en consecuencia esto afecta el aislamiento y vida útil de los

equipos. Por otra parte y más importante aún, una mala instalación expone a los usuarios

a tener el riesgo de un accidente causado por choque eléctrico que pueden causar serias

heridas e incluso la muerte.

Es deseable que en las empresas con grandes instalaciones eléctricas (de cualquier tipo)

cuenten con un sistema de tierra, además de personal con conocimiento y experiencia

técnica para dar mantenimiento a este tipo de instalaciones.

La Norma Oficial NOM-001-SEDE-2012 especifica que los sistemas de tierra en las

instalaciones eléctricas deben tener un máximo de 25 ohm de resistencia y de este valor

hacia abajo hasta 5 ohm.

Un buen sistema de tierra cumple con un valor máximo de 5 ohm, pero hay casos de

instalaciones eléctricas especiales en donde existen aparatos electrónicos muy sensibles

que requieren valores de resistencia a tierra menores de 1 ohm.

IX

Objetivo.

El presente estudio describirá las causas y efectos de la corrosión en un sistema de

puesta a tierra y a su vez la forma de disminuir estos efectos nocivos.

Justificación.

Un sistema de puesta a tierra es parte fundamental dentro de las instalaciones eléctricas,

ya que se utiliza como medio protector para drenar las corrientes de falla y

sobretensiones.

Si no se cuenta con un sistema de tierra que drene estos flujos de corriente y tensión

excesivos, se corre el riesgo de tener pérdidas humanas así como de equipo eléctrico.

Por esta razón el presente estudio propone una protección contra los ataques corrosivos

que se presentan en los sistemas de puesta a tierra, prolongando el periodo de vida útil

de estas instalaciones y disminuyendo el efecto natural de corrosión de este tipo de

instalación.

Capítulo

I

Descripción del sistema de tierra y

sus características fundamentales.

La ingeniería de puesta a tierra es la tecnología de la acción que se ocupa

de la aplicación de conocimientos científicos y tecnológicos, además de

conocimientos empíricos comprobados dirigidos hacia la eficiente, segura y

económica utilización de la tierra como elemento eléctrico para fines

diversos.

2

1.1 Origen de las corrientes de tierra.

Las corrientes de tierra pueden tener dos orígenes, uno tipo natural y otro producido por

la acción del hombre.

Se conoce como origen natural a las corrientes que se efectúan por la acción de

descargas atmosféricas, estas son originadas por efectos de ionización, los cuales se

deben a los roses constantes de moléculas de aire que a diferentes temperaturas tienen

interacción, es decir, cuando los gases presentes en el aire se calientan tienden a

elevarse hacia la atmosfera, mientras que el aire frío tiende a descender; en esta

interacción se produce el rose de distintas partículas, lo cual provoca la ionización del

aire, estas a su vez van creando capas con diferencias de potencial entre ellas. En las

nubes en la parte inferior se va acumulando la carga negativa, cuando se rompe la rigidez

dieléctrica entre la tierra y la atmosfera, se producen las descargas atmosféricas.

El hombre a lo largo de la historia ha utilizado como polo eléctrico al terreno, con el

propósito de drenar los excesos de corriente, producidos por fallas en los sistemas

eléctricos de corriente continua y de corriente alterna.

Las corrientes de tierra también tienen origen debido a los defectos de aislamiento en los

equipos eléctricos, en el caso de las líneas de transmisión y distribución también se

presenta debido a la caída de rayos sobre las líneas aéreas originando corrientes de

impulso de elevada magnitud.

El origen de conducción de corriente eléctrica a través de la tierra es posible debido a las

características de conductividad natural. Esta conductividad en los casos más favorables

alcanza valores de hasta cinco millones de veces menor que los conductores metálicos.

La conductividad de la tierra es afectada por factores como son: la clase de roca,

propiedades fisicoquímicas y eléctricas, contenido de humedad, la fisiografía, entre otros

factores.

3

1.1.1 Importancia de la dispersión a tierra de las sobrecorrientes.

El hecho de que la tierra conduzca corriente eléctrica es de suma importancia para los

sistemas eléctricos que el hombre construye, ya que participa de diversas maneras en el

proceso central del sistema particular. Un ejemplo de lo anterior es el caso de la

protección de equipos, el valor de la intensidad de corriente que es enviada a tierra llega

a ser del orden de kiloamper (kA), en el caso de que una descarga atmosférica tenga

lugar sobre la red eléctrica, no se puede conocer la magnitud de corriente pero se puede

estimar.

Los efectos eléctricos, magnéticos, térmicos y fisiológicos que se originan durante este

proceso (traspaso y circulación de corrientes dentro de la tierra) son trascendentes; afecta

en la eficiencia y economía del sistema eléctrico en cuestión, además se consideran los

aspectos de seguridad para los seres vivos.

Algunos de los campos magnéticos que forman las sobrecorrientes naturales, son de vital

importancia y trascendentes en el área geoelétrica, pues contribuyen en la construcción

de teorías tecnológicas sustantivas y en la explicación del mecanismo del transporte de

la electricidad a través del material rocoso.

El proceso electroquímico que se presenta entre la interacción de dos medios de diferente

naturaleza tiene repercusiones en cuanto a sus efectos. La corrosión, por ejemplo, afecta

drásticamente el tiempo de vida de ciertos elementos metálicos, entre estos elementos

se consideran los sistemas de tierra, y estos a su vez afectan otros elementos metálicos

ubicados cerca del sistema de tierra.

4

1.2 Peligrosidad de la corriente eléctrica.

Cuando circula corriente eléctrica a través de un medio conductor y tierra, la interacción

produce fenómenos de naturaleza eléctrica (flujos de electrones), magnética (atracción o

repulsión magnética) y térmica.

En el caso de que el medio conductor sea una persona, los fenómenos anteriores llegan

a ocasionar problemas de salud e incluso la muerte.

1.2.1 Efectos fisiológicos.

La reacción que puede existir en el cuerpo humano al paso de la corriente.

Agarrotamiento muscular.

Alteración del ritmo cardiaco.

Fibrilación ventricular.

Quemaduras.

1.2.2 Límites de peligrosidad de la corriente eléctrica.

Las corrientes más peligrosas son aquellas de baja frecuencia, en las cuales

encontramos 50 y 60 Hz.

El paso de la corriente eléctrica a través del cuerpo humano produce reacciones

fisiológicas importantes. Para el cuerpo humano se considera peligroso el paso de una

corriente mayor a 10 mA.

El trayecto más peligroso es el que afecta directamente al corazón, el cual es de la mano

izquierda al pecho.

Otro de los factores a considerar es la duración de la descarga eléctrica.

5

1.2.2.1 Sensibilidad del cuerpo ante las corrientes.

A partir de las investigaciones del Dr. Heinrich Friedrich Weber (1843 - 1912) sobre los

efectos fisiológicos sobre el cuerpo humano debido al paso de corrientes eléctricas,

muchos investigadores han continuado desarrollando su trabajo.

Dentro de la región de la técnica de la seguridad se indican seis rangos de influencia

fisiológica considerable:

1. Con intensidades de corriente de hasta 25 mA.

1 mA o menor, apenas es perceptible un cosquilleo.

5 mA o menores, la sensación que se presenta es de adormecimiento en

las manos así como un débil entumecimiento.

15 mA o menores, se percibe una sensación de calambres y se inician las

convulsiones. En este nivel la persona aún es capaz de soltar

voluntariamente la fuente de energía.

Entre 15 y 25 mA, aquí se presentan convulsiones y la persona no es capaz

de soltarse por voluntad propia.

2. Intensidades de corriente de entre 25 y 80 mA.

Con valores entre 25 y 50 mA, se presenta el aumento de la presión

sanguínea he irregularidades en el funcionamiento del corazón.

Con intensidades entre 50 y 80 mA, se inicia la fibrilación del corazón,

se interrumpe el bombeo y la sangre deja de circular produciendo la

pérdida del conocimiento.

3. Intensidades de corriente entre 80 mA y 3 A.

Se establece plenamente la fibrilación del corazón cuando la corriente

permanece aplicada más de 3 segundos lo que generalmente determina

la muerte.

6

4. Intensidades de corriente entre 3 y 10 A efectivos.

La pérdida del conocimiento y paro pulmonar conducen a la muerte

inmediata.

5. Intensidades superiores a 10 A.

Se produce el efecto de calentamiento de tejido orgánico originando la

cocción de líquidos y tejidos del cuerpo, y esto puede derivar en la

carbonización de sustancias del cuerpo.

6. Corrientes por arco eléctrico.

Cuando la persona es afectada por un arco eléctrico el calor producido

llega a encender su ropa originando efectos de flama lo cual produce

quemaduras severas en la superficie de la piel teniéndose casos de

muerte por quemaduras en la superficie del cuerpo.

1.2.3 Tensión de paso.

Es la diferencia de tensión en la superficie, que experimenta una persona con los pies

separados a una distancia de 1 m, sin estar en contacto con ningún objeto puesto a tierra,

se produce cuando se encuentra expuesto a un gradiente de potencial máximo. El

gradiente de potencial en una región coincide con el valor más elevado que puede

alcanzar una tensión de paso.

1.2.4 Tensión de contacto.

Es la diferencia de potencial entre una estructura metálica puesta a tierra y un punto de

la superficie del terreno a una distancia igual a la horizontal máxima que pueda alcanzar,

que es aproximadamente 1 m.

7

1.3 Sistema de tierra.

Un sistema de tierra, es un conjunto de elementos conectados a la parte metálica no

conductora de corriente eléctrica de equipos eléctricos y electrónicos, que permiten

conducir, drenar y disipar a tierra física una corriente no deseada, para evitar que sufran

daño, en caso de una corriente de falla.

Se debe instalar un sistema de puesta a tierra por cuestiones de seguridad, ante una

descarga atmosférica o un corto circuito, sin sistema de puesta a tierra las personas

estarían expuestas a una descarga eléctrica, los equipos recibirían niveles de tensión y

corriente que afectarían de manera drástica su funcionamiento. De no contar con sistema

de puesta a tierra, en caso de que las corrientes de falla no tuvieran un camino a través

del cual drenarse, éste exceso de corriente buscará el camino de menor resistencia para

continuar su trayecto, el cual puede incluir a las personas.

1.3.1 Instalación de puesta a tierra.

Una instalación de puesta a tierra es aquella instalación eléctrica que tiene como misión

derivar la corriente de falla hacia la tierra, a través del contacto con ella.

La resistencia de puesta a tierra, que existe entre una toma de tierra y un punto lo

suficientemente alejado del terreno, como para que su potencial no se modifique

sensiblemente cuando circule una corriente por el electrodo a este punto se le denomina

punto de potencial cero y es considerado como el origen o referencia de los potenciales

de todos los elementos.

La resistencia de puesta a tierra se ve constituida por los siguientes factores:

La resistencia de los conductores que forman la conexión con los electrodos

artificiales.

La resistencia del electrodo artificial.

La resistencia del terreno entre el electrodo y el punto de potencial cero.

8

1.3.2 Partes generales de un sistema de tierra.

Toma de tierra. Está constituida por un electrodo artificial o conjunto de ellos, que se

encuentran en contacto con el suelo y a través se introduce la corriente a la tierra.

Línea de enlace con la toma de tierra. Es el punto de unión entre el electrodo artificial y

la puesta a tierra.

Borne principal de tierra o punto de puesta a tierra. Es el dispositivo de conexión que se

presenta entre: los conductores de tierra, los conductores de protección, los conductores

de equipotencialidad principales y los conductores de puesta a tierra funcional.

Conductores de protección. Se encargan de unir la estructura metálica no portadora de

corriente con el conductor de tierra.

1.4 Tipos de electrodos utilizados en la puesta a tierra.

Hay dos tipos de electrodos: artificiales y naturales. Los artificiales son creados con el

propósito de obtener una puesta a tierra y los electrodos naturales que son masas

metálicas que pueden existir con un fin distinto al anterior.

Artificiales:

Son metales inalterables a la humedad y a la acción química del terreno, como por

ejemplo acero con capa exterior de cobre, hierro galvanizado, cobre, hierro sin galvanizar;

con protección catódica o fundición de hierro.

Conductores:

Conductor de cobre

Conductor de aluminio

Varilla de copperweld: Son de acero recubierta de cobre, diámetro 0.014 m y longitud

3 m

9

Placas: de cobre o acero galvanizado y son enterradas verticalmente y de superficie

mayor de 0.5 m2.

Cuadradas

Rectangulares

Naturales:

Formados por red de conducciones metálicas, están formados por pilares metálicos de

edificios interconectados por estructura metálica enterrados a cierta profundidad.

1.4.1 Sistemas de electrodos.

Cuando la corriente de tierra no es muy intensa y el equipo o elementos por conectar no

están muy separados entre sí, ni de un electrodo, la puesta a tierra puede hacerse por

medio de ese único electrodo, con la forma geométrica más conveniente, es decir, la que

ofrezca mejor eficiencia y requiera un menor gasto; sin embargo, cuando, por el contrario,

la corriente a tierra es muy elevada y todos los medios de servicio y elementos por

conectar a tierra estén distribuidos sobre una superficie extensa, se necesita utilizar

varios electrodos y conectarlos de manera que trabajen en paralelo, integrándose de esta

manera los llamados electrodos múltiples. Así, se integran sistemas de electrodos con un

único tipo de electrodos elementales (con varillas tipo copperweld, con bandas, con

anillos, etcétera), o bien, con electrodos elementales de diferentes tipos (varilla de

copperweld y bandas, semiesfera y anillo, etcétera).

1.5 Clasificación de sistemas de tierra.

El sistema de puesta a tierra cuenta con dos grandes clasificaciones.

La primera, es aquella que menciona si el sistema es artificial o natural (como lo

especifica el punto 1.4).

10

La segunda, es la que distingue la instalación de una puesta a tierra de servicio y un

sistema de tierra de protección. En las instalaciones de puesta a tierra de servicio sólo se

tiene para efectos técnicos, un ejemplo de ello es un transformador en conexión estrella

referida a tierra. Los sistemas de tierra de protección se usan con fines de protección

para los seres vivos.

1.6 Condiciones de los terrenos.

Las condiciones del terreno es un factor importante a considerar ya que a través de él va

a circular el flujo de corriente de falla, a éste fenómeno se le conoce como sistema

geoeléctrico y consiste en la disipación de la corriente a través del volumen de las

dimensiones del terreno, en el cual, se puede calcular la resistencia a la propagación que

tiene el electrodo. Esta propagación se conoce a partir del valor de conductividad del

terreno, el cual varía según las condiciones geológicas y geofísicas, teniéndose dos

vertientes: terreno homogéneo y terreno heterogéneo.

El primero de los casos, es aquel en el cual, el terreno posee la misma naturaleza

geológica y geofísica en el mismo volumen de tierra ilimitado por todos lados. Sin

embargo, en la mayoría de los casos se presenta el de naturaleza heterogénea lo que

produce que el sistema de tierra no resulte según el cálculo hecho para un terreno

homogéneo, ya que el valor de la conductividad no corresponde al terreno.

Actualmente se clasifican alrededor de once clases de heterogeneidad, hay que definir

cuales si producen variaciones importantes, ya que estas no podrán ser despreciadas.

11

1.7 Normatividad.

En base a la Norma Oficial Mexicana, NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES

ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN), hay que tener en cuenta las siguientes definiciones

(Artículo 100 y Artículo 250-2).

A tierra: Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o

equipo eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal.

Conductor del electrodo de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar

el conductor puesto a tierra del sistema o el equipo, al electrodo de puesta a tierra

o a un punto en el sistema del electrodo de puesta a tierra.

Conductor Desnudo: Conductor que no tiene ningún tipo de cubierta o

aislamiento eléctrico.

Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el

circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de

puesta a tierra.

Conductor de puesta a tierra de los equipos: Trayectorias conductoras

utilizadas para conectar las partes metálicas, que normalmente no conducen

corriente, de todos los equipos y al conductor del sistema puesto a tierra o al

conductor del electrodo de puesta a tierra o a ambos.

Conductor puesto a tierra: Conductor de un sistema o de un circuito,

intencionadamente puesto a tierra.

Puesto a tierra: Conectado (conexión) a tierra o a algún cuerpo conductor que

extienda la conexión a tierra.

Puesto a tierra eficazmente: Conectado (conexión) a tierra intencionalmente a

través de una conexión o conexiones a tierra que tengan una impedancia

suficientemente baja y ampacidad, que prevengan la formación de tensiones

peligrosas para las personas o para los equipos conectados.

Puesto a tierra sólidamente: Conectado a tierra sin insertar ningún dispositivo

de resistencia o de impedancia.

12

Electrodo de puesta a tierra: Objeto conductor a través del cual se establece una

conexión directa a tierra.

Sólidamente puesto a tierra: Significa que el conductor puesto a tierra (neutro)

lo está sin necesidad de intercalar ninguna resistencia o dispositivo de impedancia.

Tensión a tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión entre un conductor

dado y el punto o conductor del circuito que está puesto a tierra; en circuitos no

puestos a tierra es la mayor diferencia de potencial entre un conductor dado y

cualquier otro conductor del circuito.

1.7.1 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS

(UTILIZACIÓN). Artículo 250. Puesta a Tierra y Unión.

A grandes rasgos el artículo 250 de la Norma Oficial Mexicana expone los siguientes

puntos.

a) Generalidades. Se indican los requisitos generales para la puesta a tierra y unión

de instalaciones eléctricas. Además de explicar que sistemas pueden ser puestos

a tierra y cuales no indican el tipo de conexión.

b) Puesta a Tierra de Sistemas. Se indica cuales sistemas de corriente alterna deben

estar puestos a tierra, de acuerdo a condiciones específicas. Para el caso de

generadores portátiles, montados en vehículos y permanentes también especifica

la conexión.

c) Sistemas de electrodos de Puesta a Tierra y conductor del Electrodo de Puesta a

Tierra. El artículo 250-50 especifica que en ninguno de los casos el valor de

resistencia óhmica de los electrodos de puesta a tierra debe de ser mayor a 25

ohm. Se especifica que los electrodos deben tener algún recubrimiento metálico

que sea protector contra la corrosión.

d) Puesta a Tierra de Envolventes, Canalizaciones y Cables de Acometida. Las

envolventes así como las canalizaciones, deberán estar conectadas al sistema de

puesta a tierra, en caso de que no exista un sistema de tierra deberán conectarse

a un electrodos de puesta a tierra.

13

e) Unión. El uso de uniones debe garantizar la continuidad eléctrica y capacidad de

conducir la corriente de falla. Y solamente deberá hacerse uso de uniones si es

necesario. Los puentes de unión deberán ser de cobre o algún otro material

resistente a la corrosión.

f) Puesta a Tierra de Equipo y Conductores a Tierra de Equipo. Se debe hacer la

conexión de puesta a tierra de las superficies metálicas de equipos eléctricos, así

como, las partes metálicas de equipos no eléctricos. Los conductores de puesta a

tierra deberán ser desnudos, cubiertos o aislados, en caso de ser cubiertos o

aislados se identificarán por un exterior continuo en color verde o verde con una o

más franjas amarillas.

g) Métodos de Puesta a Tierra de Equipos. Las partes metálicas de equipos, que

normalmente no transportan corriente deben estar puestas a tierra (estructura y

soporte metálico).

h) Sistemas de Corriente Continua. Deben ser puestos a tierra sistemas de corriente

continua mayores a 50 V y menores a 230 V, siempre que estos no deriven su

alimentación de rectificadores alimentados por corriente alterna o el sistema

cuente con un detector de tierra. Los sistemas de 3 conductores deberán

conectarse a tierra a través del conductor neutro.

i) Instrumentos, Medidores y Relevadores. Para transformadores de instrumento

(corriente y potencial) debe considerarse la puesta a tierra del circuito secundario

siempre que por el circuito la alimentación sea mayor a 300 V.

j) Puesta a Tierra de Sistemas y Circuito de 1000 V o más. Para sistemas y circuitos

mayores a 1 000 V, se permitirá la conexión de puesta a tierra para sistemas con

neutro derivado, sistemas con neutro sólidamente puesto a tierra y sistemas con

neutro puesto a tierra a través de una impedancia. En el caso de subestaciones

se deberá cumplir con la especificación C del artículo 250 de la presente norma.

14

1.7.2 Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS

(UTILIZACIÓN). Artículo.921 Puesta a Tierra

Este artículo muestra los métodos de puesta a tierra, como medio para salvaguardar al

público y a los operarios del daño que pudiera causar el potencial eléctrico en las líneas

de servicio público de energía eléctrica. El artículo refiere a los métodos para conectar a

tierra los conductores y el equipo de líneas eléctricas y de comunicación, los requisitos

que se encuentran en esta área son los elementos que deben estar conectados a tierra

se encuentran establecidos en este artículo de la NOM.

Definiciones.

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.

Guarda: Elemento protector para prevenir un contacto accidental con un conductor

eléctrico.

El artículo especifica la forma correcta de medir la resistencia del sistema de tierra,

de cuál es la conexión de puesta a tierra durante reparaciones. Indica además los

puntos de conexión del conductor de puesta a tierra en un sistema de corriente

continua:

De 0 hasta 750 V

Mayor o igual a 750 V

Artículo 921-7 Material de los Conductores de Puesta a Tierra.

Menciona que el material del que esté hecho debe garantizar la adecuada conducción

de corrientes a tierra, si es posible sin empalmes. En caso de que sea inevitable el

empalme, este debe tener resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Deben

estar hechos y mantenidos de tal modo que la resistencia del conductor no se

incremente.

15

El conductor en los apartarrayos debe ser corto y con exento de dobleces cerrados

(ángulos menores a 90°).

Si se cumple lo estipulado en el artículo 921-25, la estructura metálica de un edificio

sirve como conductor de puesta a tierra e incluso como un aceptable electrodo de

tierra.

Los medios de conexión del conductor de puesta a tierra y sus diferentes elementos

a los que se une, deben tener las mismas características del conductor y deben ser

adecuados para la exposición ambiental. Se incluye soldadura exotérmica, conectores

mecánicos o de compresión y zapatas o abrazaderas de puesta a tierra.

Artículo 921-10 Ampacidad y Resistencia Mecánica.

"La ampacidad de tiempo corto" de un conductor desnudo de puesta a tierra, es la

corriente que éste puede soportar durante el tiempo (establecido en el cálculo

correspondiente durante el cual se tiene circulación de corriente), sin fundirse o

cambiar su estado, y para un conductor con aislamiento es la corriente que puede

conducir, sin que se dañe el aislamiento.

a) Para sistemas conectados a tierra en un solo punto.

b) Para sistemas de corriente alterna con múltiples conexiones de puesta a tierra.

c) Para apartarrayos primarios.

d) Para equipo, mensajeros y retenidas.

e) Límite de la ampacidad.

f) Resistencia mecánica.

Artículo 921-13 Electrodos de Puesta a Tierra.

Indica que el electrodo de puesta a tierra debe ser permanente y adecuado para el

sistema eléctrico que se trate. Un electrodo común debe emplearse para conectarse

a tierra el sistema eléctrico y las envolventes metálicas de conductores y al equipo

servido por el mismo sistema.

16

Artículo 921-14 Electrodos Existentes.

Se pueden usar los sistemas subterráneos de tubería metálica para agua fría como

electrodos de puesta a tierra. No olvidando que si las uniones tienes aislamiento, no

deben usarse como puesta a tierra. Las tuberías metálicas enterradas conectadas a

pozos y con baja resistencia se pueden usar como electrodos. Las varillas de los

cimientos o bases de concretos que no se encuentran aislados al contacto directo a

tierra y se extiendan cuando menos 1 m abajo del terreno, es aceptable como

electrodo de puesta a tierra.

Artículo 921-18 Resistencia a Tierra de Electrodos.

El sistema de tierra debe consistir de uno o más electrodos conectados entre sí. Debe

tener una resistencia a tierra baja para minimizar los riesgos al personal en función

de la tensión de paso y de contacto (se considera aceptable un valor de 10 ohm; en

terrenos con alta resistividad este valor puede llegar a ser hasta de 25 ohm). Para los

tipos de electrodos véase el Artículo 250 parte C.

a) Plantas generadoras y subestaciones. Cuando estén involucradas tensiones y

corrientes eléctricas altas, se requiere de una malla de tierra con múltiples electrodos

y conductores enterrados y otros medios de protección. Véase Artículo 921 Parte D

Subestaciones.

b) Sistemas de un solo electrodo. Los sistemas con un solo electrodo deben utilizarse

cuando el valor de la resistencia a tierra no exceda de 25 ohm en las condiciones más

críticas. Para instalaciones subterráneas el valor recomendado de resistencia a tierra

es 5 ohm o menos.

c) Sistemas con neutro multiaterrizado. El neutro, debe estar conectado a un electrodo

en cada transformador y sobre la línea, cada 400 m máximo independiente del sistema

del servicio de los usuarios.

17

Artículo 921-19 Conexión a Tierra de Partes Metálicas de Transformadores.

“Aplicar lo indicado en 450-10 y lo correspondiente al tipo de instalación”. (NOM-001-

SEDE-2012 Norma Oficial Mexicana de Utilización, página 872.)

Capítulo

II

Causas y efectos de la corrosión.

La corrosión en un efecto químico, que afecta las propiedades físicas

de los materiales metálicos, este proceso natural afecta directamente

a la seguridad industrial. La corrosión en un problema inevitable, sin

embargo se puede retrasar el efecto destructivo que tiene.

19

2.1 Qué es corrosión.

Se conoce como corrosión al daño producido en los metales, este daño, es un ataque

destructivo que se origina por reacciones químicas o electroquímicas. El fenómeno de

la corrosión es causado naturalmente por el medio ambiente.

2.1.1 Por qué se presenta la corrosión en los metales.

La corrosión de los metales es inevitable debido a su origen.

Los metales generalmente se encuentran combinados con otros elementos químicos,

por lo cual, no existen en la naturaleza en estado puro, existen algunas excepciones

como es el caso de metales nobles (oro, platino, etc.).

Sin embargo, en estado natural se tienen minerales, sulfuros, óxidos, carbonatos entre

otros compuestos, de los cuales, a través de procesos siderúrgicos se puede obtener

metales. No obstante este tipo de procesos requieren de grandes demandas

energéticas, como es el caso de la producción de acero, el cual es un metal

indispensable para el desarrollo actual.

A pesar de que se haya obtenido un metal a partir de la separación de minerales, no se

garantiza un periodo de vida prolongado, puesto que éste inicia el periodo de retorno a

su estado natural (óxidos, sulfuros, carbonatos, etc.).

Como ejemplo se tiene el aluminio, el cual en estado puro se oxida rápidamente,

produciendo sobre su superficie una capa conocida como alúmina (Al2O3, óxido de

aluminio).

La tendencia de los metales a oxidarse estriba principalmente en el gran aporte

energético que se debe realizar para obtener una determinada cantidad de metal a

partir de un mineral. En el caso del aluminio el mineral del cual es extraído se conoce

como bauxita (Al2O3, óxido de aluminio), en cuanto al acero, éste retorna a su estado

natural que son los óxidos de hierro.

20

Para alcanzar estados metálicos de los diferentes compuestos químicos (minerales), el

metal absorbe y almacena una cantidad determinada de energía, misma que le

permitirá posteriormente regresar a su estado original a través de un proceso de

oxidación (corrosión). La cantidad de energía almacenada y requerida para realizar el

retorno a estado original en un metal varía. Para metales como aluminio, zinc, magnesio

y hierro es relativamente alta, para metales como el cobre y plata es relativamente baja.

Entonces, la fuerza conductora que causa que un metal se oxide es consecuencia de

su existencia natural en forma combinada (oxidada).

2.1.2 Clasificación de corrosión.

La corrosión no es solamente la formación de herrumbre (oxidación de acero),

empañado o pérdida de brillo que sufren los metales. Se tienen manifestaciones que

pueden derivar en la pérdida de su resistencia, ductilidad o a que se presente una falla

por agrietamiento.

La mayor parte de procesos de corrosión se deben a procesos electroquímicos, sin

embargo, no siempre se tienen productos visibles o una pérdida de peso apreciable en

el metal.

Existen cinco tipos principales de corrosión, los cuales se describen a continuación:

1) Ataque uniforme

En el hierro tiene presencia por la formación de herrumbre, en metales como la plata y

el níquel se produce empañado.

El ataque uniforme se mide en pulgadas de penetración por año ipy (por sus siglas en

inglés, inches penetration per year, en sistema inglés de unidades) y en miligramos por

decímetro cuadrado por día (mdd, sistema métrico decimal).

21

Las mediciones del ataque se refieren a la pérdida de peso del metal y a la penetración

que existe en él.

2) Picaduras

Las picaduras se forman debido a la velocidad de corrosión, es un tipo de corrosión que

no presenta uniformidad, es mayor en unas zonas que otras.

Cuando se tiene un metal como ánodo y el ataque es sobre una pequeña zona del

mismo, las picaduras resultantes se definen como profundas. La profundidad de las

picaduras se determina a partir del factor de picadura, que es la relación de la

penetración máxima producida en el metal a la penetración media determinada por la

pérdida de peso de la muestra.

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑃𝑖𝑐𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 =

𝑃𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙

𝑃𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎

… 2.1

La cavitación es un ataque en el cual los metales están expuestos a líquidos que se

desplazan a grandes velocidades, generalmente estos metales sufren corrosión de tipo

picadura y también problemas de erosión-corrosión. Entre estos metales se tiene por

ejemplo el cobre y el latón.

3) Descincado y corrosión selectiva.

El descincado tiene presencia en las aleaciones de zinc. Por ejemplo, en el latón

amarillo el cinc se corroe con preferencia dejando residuos porosos de cobre. La

aleación mantiene su forma original a excepción del empañado, la aleación presenta un

aspecto sano, pero su resistencia mecánica se ve afectada considerablemente en gran

proporción al igual que su ductilidad.

22

La corrosión selectiva es similar al descincado. Este tipo de corrosión está limitado por

lo general a la aleación de metales nobles, como Au-Cu (Oro-Cobre) y Au-Ag (Oro-

Plata).

Las aleaciones a base de cobre que contienen aluminio están sujetas al mismo tipo de

corrosión que el descincado, en este caso el aluminio es el elemento que se corroe de

manera preferente.

4) Corrosión intergranular.

La corrosión intergranular ocurre en los espacios que limitan los granos de un metal y

produce pérdida de la resistencia mecánica y de la ductilidad.

El material, de área limitada, que forma los espacios intergranulares, y que actúa como

ánodo, está en contacto con las superficies de los granos que son más grandes y

actúan como cátodos. Este tipo de corrosión con frecuencia penetra con profundidad en

el metal y causa fallas catastróficas.

5) Agrietamientos.

Se presentan los siguientes casos de falla por agrietamiento, los cuales son

a) Falla por corrosión bajo fatiga, que es cuando un metal se encuentra

sometido a constantes tensiones de tracción repetidas o alternativas en un

medio corrosivo.

b) Límite de fatiga, que es el medio en el cual las tensiones de tracción no son

corrosivas.

c) Corrosión bajo tensiones, tiene presencia cuando un metal se encuentra a

tracción constante y presenta agrietamiento inmediato.

Las clases de medios corrosivos que producen corrosión bajo fatiga son muchas y no

muy específicas.

23

2.2 Corrosión electroquímica.

Es un proceso que está constituido por una zona anódica, catódica y un medio

electrolítico. Generalmente la zona anódica se corroe y la catódica se reduce. La

corrosión no tiene presencia si no se encuentra alguno de estos elementos.

Cuando el ánodo comienza a diluirse (corroerse) da paso a la liberación de electrones

en forma de iones metálicos, al electrolito.

En el caso del Zinc la reacción que sucede cuando éste es ánodo:

Zn=Zinc

Zn (sólido) - Zn2+ (electrolito) + 2 electrones

Donde:

Zn (sólido): Elemento en estado basal.

Zn2+ (electrolito): Elemento ionizado.

2 electrones: Iones liberados en el electrolito.

La reacción anterior da paso a una oxidación.

Se conoce que en un conductor metálico los electrones se mueven en sentido opuesto

al convencional (negativo a positivo), por lo que en el ánodo la corriente eléctrica sale

para entrar a la solución electrolítica y finalmente llegar al cátodo [Figura 2.1].

24

Figura 2.1. Dirección del flujo de corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión.

En el diagrama las flechas representan las corrientes eléctricas fluyendo del ánodo al

cátodo y retornando a través de un medio conductor (por ejemplo, hilo metálico de

cobre).

Los electrones que se liberan del ánodo se combinan con iones presentes en el

electrolito. Depositándose en la superficie del cátodo.

Algunos ejemplos de las reacciones catódicas más comunes en presencia de agua son:

2H+ + 2 electrones H2 (gas)

Donde:

2H+: Elemento en estado basal.

2 electrones: Iones liberados en el electrolito.

H2 (gas): Producto liberado en estado gaseoso.

O2 (gas) + 2 H2O + 4 electrones 4 OH (medio alcalino)

Donde:

O2 (gas) + 2 H2O: Compuesto que tiene reacción.

25

4 electrones: Iones liberados en el electrolito.

4OH: Producto liberado.

O2 (gas) + 4 H+ + 4 electrones 2 H2O (medio ácido)

Donde:

O2 (gas) + 4 H+: Compuesto que tiene reacción en el cual H+ es el elemento

ionizado.

4 electrones: Iones liberados en el electrolito.

2 H2O (medio ácido): Producto liberado.

Los tres ejemplos anteriores son reacciones de reducción.

2.2.1 Electrodo de referencia.

Cuando se tiene cualquier metal y un medio electrolítico, el metal en contacto con el

electrolito tiene, por un lado, tendencia a disolverse (ánodo), con lo que queda cargado

negativamente.

Me Men+ + ne-

Donde:

Me: cualquier metal.

Men+: Metal que ha liberado electrones

ne-: Iones liberados.

26

Por otro lado, los iones del electrolito se depositen sobre la superficie del otro metal

(cátodo):

Men+ + ne- Me(2)

Donde:

Men+: Metal que ha liberado electrones

ne-: Iones depositados en un segundo metal.

Me(2): cualquier metal empleado como cátodo.

Con lo que se alcanza el equilibrio en un determinado momento:

Me Me n+ + ne-

La liberación de electrones que muestra la ecuación anterior describe una diferencia de

potencial entre los metales que interactúan a través de un medio electrolítico.

El potencial de un metal cualquiera sumergido en una solución de sus iones de

actividad igual a la unidad, corresponde a la fuerza electromotriz de una pila de acuerdo

a la convención propuesta por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada

(IUPAC).

El potencial de la pila se determina con la siguiente expresión:

𝐸𝑝𝑖𝑙𝑎 = 𝐸𝑐á𝑡𝑜𝑑𝑜 − 𝐸á𝑛𝑜𝑑𝑜(𝑉) … 2.2

Basándose en lo anterior, se presentan dos casos:

a) E pila > 0 V

b) E pila < 0 V

27

En el primer caso, el semielemento que actúa como polo positivo debe tener un

potencial de reducción positivo que es:

Men+ + ne Me

La diferencia de potencial medida en la condición anterior, es numéricamente igual al

potencial de reducción del semielemento, Men+/ Me.

En el segundo caso, se tiene presencia de un potencial negativo, lo que implica que el

flujo de electrones sea en sentido contrario.

Me Men+ + ne-

Lo anterior indica que la reacción está favorecida energéticamente.

Tomando como ejemplo al Hidrógeno (H) estos electrones suministrados serán

tomados por el otro semielemento y tendrá lugar la siguiente reacción:

2H + + 2e- H2.

La reacción global será:

Me + 2H + Me n+ + H2.

28

De esta forma se construye la serie electroquímica de los metales representada en la

Tabla 2.1.

Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales

Sistema Semirreacción Potencial E (V A 25°C)

Li + / Li Li + 1e-

Li -3.045

K +/ K K ++ 1e

K -2.925

Cs +/Cs Cs ++ 1e-

Cs -2.923

Ba2+ / Ba Ba2+ + 2e-

Ba -2.90

Sr2 + Sr Sr 2++ 2e-

Sr -2.89

Ca2 + /Ca Ca 2++ 2e

Ca -2.87

Na + / Na Na ++ 1e-

Na -2.714

Mg 2+ / Mg Mg 2++ 2e-

Mg -2.37

Al 3+ / Al Al 3+ + 3e-

Al -1.66

Mn2+ / Mn Mn 2+ + 2e-

Mn -1.18

Cr 2+ / Cr Cr 2+ + 2e-

Cr -0.913

V 3+ / V V3++ 3e-

V -0.876

Zn 2+ / Zn Zn 2++ 2e-

Zn -0.762

Cr 3+ / Cr Cr 3++ 3e-

Cr -0.74

Fe 2+ / Fe Fe 2+ 2e-

Fe -0.99

Cd 2+ / Cd Cd 2+ 2e-

Cd -0.402

In 3+ / In In 3+ + 3e-

In -0.342

Co 2+ / Co Co 2+ 2e-

Co -0.277

Ni 2+ / Ni Ni 2+ + 2e-

Ni -0.250

Sn 2+ / Sn Sn 2++ 2e-

Sn -0.136

Pb 2+ / Pb Pb 2+ + 2e-

Pb -0.126

Fe 3+ / Fe Fe 3+ + 3e-

Fe -0.036

H + / H 2 2H + + 2e-

H2 0.000

Cu 2+ / Cu Cu 2++ 2e-

Cu 0.337

Hg 2+ / Hg Hg 2+ + 2e-

2 Hg 0.789

Ag 2+ / Ag Ag 2+ + 1e-

Ag 0.799

Hg 2+ / Hg Hg 2+ + 2e-

Hg 0.857

Pd 2+ Pd Pd 2+ + 2e-

Pd 0.987

Pt 2+ / Pt Pt 2+ + 2e-

Pt 1.19

Au 3+ / Au Au 2+ + 3e-

Au 1.500

29

2.3 Corrosión en suelos.

El suelo se caracteriza por ser un electrolito al estar constituido por sales, materia

orgánica y humedad. Por lo que los materiales metálicos que se entierran en el suelo,

se ven afectados por problemas de corrosión.

Un suelo natural está formado por arena, arcilla, cal y humus. Lo que afecta

directamente a la velocidad de corrosión. Ya que al estar mezclados en diferentes

porciones el grado de agresividad será distinto.

Los suelos arenosos, margo-arenosos, margo-calcáreos y calcáreos no son agresivos

mientras que los suelos arcillosos son agresivos, en algunas condiciones. Las turbas,

los humos libres de cal, los suelos cenagosos y de aluvión son agresivos.

Por otra parte los suelos artificiales también son agresivos y están formados por

escoria, basuras, elementos en putrefacción y residuos industriales.

Es desfavorable para la industria el problema de la corrosión, en el caso de las

construcciones las estructuras de acero se tienen que apoyar en el suelo y ser

enterradas. Por necesidades de seguridad, mecánicas y económicas, y para tener un

buen control de la corrosión se invierte en sistemas de protección catódica para reducir

el problema en estructuras de acero.

La protección catódica es un método muy confiable, pero hay que considerar que por

efectos naturales también se verá afectada, pero prolongara el periodo de vida de la

estructura bajo protección.

30

2.3.1 Agresividad del suelo en función de su resistividad, pH y potencial redox.

La velocidad de corrosión está ligada a la resistividad del terreno de la forma que se

señala en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2. Grado de agresividad del suelo en función de la resistividad

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒊𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅 (𝛀 ∙ 𝒎) Grado de agresividad

< 10 Severo

10 – 100 Discreto

100 – 1000 Escaso

> 1000 Nulo

La resistividad de un terreno depende, en particular, de su estructura, de las

dimensiones de sus partículas constituyentes, de su porosidad y permeabilidad, del

contenido de agua (humedad) y de su contenido de iones.

Los suelos muy ácidos (con un pH < 5.5) corroen rápidamente a los metal desnudos

que son expuestos y la agresividad es directamente proporcional al incremento de la

acidez. El índice de pH de los suelos se comprende entre los 5.0 y 8.0 de la escala.

Las bacterias sulfato-reductoras son otro factor que influye en el nivel de corrosión que

tendrá el suelo por lo que hay que determinar el pH y el potencial Redox del mismo.

El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones. Está

relacionado con el pH y con el contenido de oxígeno. Es análogo al pH ya que el

pH mide la actividad de protones y el potencial redox mide la de los electrones.

31

La tabla 2.3 muestra la agresividad potencial de un suelo desde el punto de vista del

crecimiento de bacterias sulfato-reductoras.

Tabla 2.3. Grado de agresividad del suelo por bacterias sulfato-reductoras

en función del potencial redox.

Valor del potencial redox en mV vs. Electrodo de hidrógeno

Grado de agresividad potencial (posibilidad de corrosión anaerobia)

< 100 Severa

100 – 200 Discreta

200 – 400 Escasa

> 400 Nula

En la Tabla 2.4 se presentan índices que permiten determinar las características

agresivas de un suelo basándose en el contenido de aniones del mismo, cloruros,

sulfatos y sulfuros, pH, potencial redox y resistividad.

Tabla 2.4. Determinación de la agresividad de suelos

Suma

Resistividad, 𝝆 (𝛀 − 𝒄𝒎) > 12 000 12 000 − 5 000

5 00 − 2 000 < 2 000

0 −1 −2 −4

Potencial redox, 𝑬𝒓𝒆𝒅𝒐𝒙 (mV vs. Enh)

> + 400 400 − 200

200 − 0 < 0

+2 0

−2 −4

pH > 5 < 5

0 −1

Cloruros, 𝑪𝒍− (mg / kg) < 100 100 − 1000

> 1000

0 −1 −4

Sulfatos, 𝑺𝑶𝟒𝟐− (mg / kg) < 200

200 − 300 > 300

0 −1 −2

Sulfuros, 𝑺𝟐− (mg / kg) 0 0 − 0.5 > 0.5

0 −2 −4

Características del suelo Suma

No agresivo 0

Débilmente agresivo −1 𝑎 − 8

Medianamente agresivo −8 𝑎 − 10

Sumamente agresivo < −10

32

2.3.2 Corrosión por aireación diferencial.

Con frecuencia en la mayoría de los electrolitos se encuentran concentraciones de aire

disuelto. Este aire disuelto causa efectos de corrosión conocido como aireación

diferencial o Efecto Evans.

La Corrosión por efecto Evans (influencia de las incrustaciones), se presenta cuando

sobre una superficie metálica se forma una zona anódica justamente debajo del

depósito, donde la concentración de oxígeno es muy pequeña, en comparación con la

periferia. Cuando se tienen procesos de incrustaciones de sales las concentraciones de

oxigeno se originan con mayor facilidad. Estas incrustaciones y salinidad aumentan las

probabilidades de corrosión.

Si una tubería metálica se encuentra en un terreno donde las concentraciones de

oxígeno son diferentes, la corrosión tendrá efecto en la parte menos oxigenada,

actuando como ánodo. Éste problema tendrá mayor repercusión si la tubería es de

longitud considerable y atraviesa terrenos de naturaleza diferentes debido a que las

concentraciones de oxígeno serán distintas (Figura 2.2).

Figura 2.2. Corrosión por aireación diferencial. Corrosión de una tubería que atraviesa terrenos de naturaleza

diferencial.

33

2.3.3 Corrosión por par galvánico.

La corrosión por par galvánico ocurre cuando dos metales o aleaciones de distinta

composición química están expuestos en un electrolito; el metal menos noble (ánodo)

presenta corrosión, mientras que el segundo elemento metálico queda protegido de la

corrosión.

La velocidad de reacción del par galvánico dependerá de la exposición de las áreas del

ánodo y del cátodo en el electrolito, lo cual implica que un ánodo pequeño en

dimensiones se corroa más rápido que uno de dimensiones mayores. Esto se debe a

que la corrosión depende más de la densidad de corriente que de la intensidad.

A veces ocurre que de un conducto principal de acero se sacan conductos derivados en

cobre o acero galvanizado; en el primer caso se atacará el acero y en el segundo se

disolverá el Zn (del galvanizado) (Figura 2.3 (a) y (b)).

Figura 2.3. (a) Corrosión de una conducción principal de acero por la conexión de una derivación de cobre.

(b) Disolución del zinc de una tubería de acero galvanizado que ha sido conectada a una conducción

principal de acero.

34

2.3.4 Corrientes parásitas.

Se denominan corrientes parásitas, a las corrientes eléctricas que circulan fuera de los

circuitos previstos. Estas corrientes eléctricas no tienen una magnitud definida, debido

principalmente a que dependen esencialmente de la naturaleza y funcionamiento de la

fuente que las emite.

Las corrientes parásitas tienen origen en el principio de electricidad que menciona que

una corriente eléctrica busca siempre trayectorias en las cuales la resistencia sea

menor (ley de ohm), por lo regular las canalizaciones que dan paso a estas trayectorias

son estructuras metálicas que están enterradas en el terreno.

La figura 2.4 ilustra el mecanismo de la corrosión de una tubería motivada por la acción

de corrientes parásitas que provienen de un sistema de tracción eléctrica.

Figura 2.4. Mecanismo de corrosión de una tubería por efecto de las corrientes parásitas que provienen de un

sistema de tracción eléctrica.

35

2.3.5 Medición de la Resistividad del Suelo.

La resistividad del suelo es la resistencia que ofrece el terreno al paso de la corriente

eléctrica. Y está determinada en ohm-metro (Ω-m) (Figura 2.5).

Figura 2.5. (a) La resistividad (𝝆) en Ω-m es numéricamente igual que la resistencia (R) en ohm en un cubo de

un m de arista. (b) Resistencia de un sólido rectangular. (c) Caja de suelo.

36

La resistencia de un sólido rectangular está dada por:

𝑅 =𝜌 ∙ 𝐿

𝑊 ∙ 𝐷… 2.3

En donde:

W, L y D: son las dimensiones (en m), como se ve en la figura 10.

𝜌: es la resistividad (en Ω-m)

Para que las unidades sean consistentes, La resistencia entre dos terminales de forma

y tamaño cualquiera, en contacto con un terreno, está determinada por la relación entre

el tamaño y la distancia entre las terminales y por la resistividad del suelo.

2.3.5.1 Determinación de la resistividad por el método de los cuatro electrodos.

Para determinar la resistividad del terreno se emplea el método de Frank-Wenner,

conocido como, método de los 4 electrodos. El circuito de la figura 2.6 muestra la

conexión para realizar la medición de la resistividad.

Figura 2.6. Medición de la resistividad del suelo por el método de Wenner o de los cuatro electrodos. La

distancia (b) o sea la profundidad a la que está enterrada el electrodo (barra de cobre o acero) debe ser

pequeña comparada con la distancia (a) entre los electrodos.

37

En la figura 2.6 se tiene que:

A: La separación entre varillas adyacentes en m.

B: Profundidad de los electrodos en m.

C: Electrodo de corriente.

P: Electrodo de potencial.

Si la relación A/B da por resultado menor a 20, la resistividad del terreno se calculará a

partir de la siguiente expresión.

𝜌 =4𝜋𝐴𝑅

1 +2𝐴

√𝐴2 + 4𝐵2−

𝐴

√𝐴2 + 𝐵2

… 2.4

Donde:

𝜌: Resistividad aparente del suelo en Ω-m.

A: Separación entre electrodos adyacentes en m o en cm.

B: Profundidad de los electrodos en m o en cm.

R: Resistencia medida en Ω.

“Si “A” y ”B” se miden en cm o en m, y la resistencia R en Ω, la resistividad estará dada

en Ω-cm o en Ω-m respectivamente” (NRF-011-CFE Sistema de Tierra para Plantas y

Subestaciones Eléctricas, página 12)

Cuando la longitud “B” es menor que la longitud “A” o la relación A/B sea mayor o igual

a 20, B=0, reduciendo la formula a la expresión siguiente:

𝜌 = 2𝜋𝐴𝑅 … 2.5

38

2.4 Protección de los metales frente a la corrosión.

La corrosión se presenta cuando se forma una celda de corrosión o pila galvánica, lo

que indica la presencia de un ánodo, un cátodo, un puente de enlace entre ánodo y

cátodo (conductor metálico) y una solución electrolítica. Cuando alguno de éstos

elementos no está presente, el proceso de corrosión en nulo.

Una vez conocidos los factores que propician la corrosión, se deben proteger los

materiales de la mejor manera posible.

Los distintos métodos de corrosión se pueden clasificar de la siguiente manera:

a) Protección no electroquímica:

1. Recubrimiento con pintura.

2. Recubrimiento con polímeros.

3. Eliminación de humedad.

b) Protección electroquímica:

1. Catódica

Con ánodo de sacrificio.

Con fuente de corriente.

Recubrimientos metálicos (galvanizado, etc.)

c) Anódica: por formación de películas protectoras.

Capítulo

III

Solución técnica para reducir la

corrosión.

Este capítulo propone soluciones posibles para la disminución de la

corrosión en sistemas de puesta a tierra. Analizando las ventajas y

desventajas entre las soluciones mismas.

Las soluciones propuestas están basadas en reducir el potencial del

elemento que se va a proteger respecto al electrolito en el que está

inmerso.

40

3.1 Fundamentos de la solución propuesta.

Se conoce que la corrosión es la destrucción de un cuerpo metálico producido por

diversos factores. Sin embargo el fenómeno que describe el proceso corrosivo es la

electroquímica.

La solución planteada a este problema se clasifica como protección química (de acuerdo

a la clasificación del tema 3.4 Protección de los metales frente a la corrosión).

3.1.1 Protección catódica.

Este tipo se protección se fundamenta en la polarización, y consiste en recubrir el metal

base con un metal que cuente con un potencial electródico mayor. Para asegurar la

protección es necesario que el recubrimiento sea continuo y no poroso.

Hay que tener en cuenta que por muy buenas características que tenga un recubrimiento,

no es posible asegurar un aislamiento total del medio en el cual estará expuesto, y en

consecuencia existirán zonas propensas al ataque corrosivo debido a la porosidad,

grietas e impacto sobre el recubrimiento. Por lo que no es suficiente protección para evitar

la corrosión, teniendo que complementar con un sistema de protección catódica por

ánodos de sacrificio.

3.1.2 Protección catódica por el método de ánodos de sacrificio.

Consiste en la creación de una pila galvánica, donde el cátodo es la estructura a proteger

(Sistema de tierra) y el ánodo será otro metal más electronegativo que el metal de la

estructura.

El arreglo de electronegatividad del ánodo se debe principalmente a que por la naturaleza

de las cargas eléctricas el metal con carácter más electronegativo cederá electrones al

metal más electropositivo.

41

Considerando el sentido convencional de flujo de corriente se tendrá que si estos metales

se unen eléctricamente y se entierran en el mismo electrolito se establece un paso de

corriente del metal más electropositivo al más electronegativo y dentro del electrolito, en

sentido contrario, del metal más electronegativo (ánodo) al metal más electropositivo

(cátodo), cerrándose el circuito y disolviéndose el metal del ánodo (corrosión) en el

electrolito y quedando así protegido el metal del cátodo (Figura 2.1. Dirección del flujo de

corriente entre un ánodo y un cátodo en una celda de corrosión.).

3.2 Datos del estudio.

Tomando en cuenta la serie electroquímica de los metales (Tabla 2.1. Serie

electroquímica de los metales), un metal tendrá carácter anódico respecto de otro si su

potencial E se encuentra más electronegativo en dicha serie. Así, por ejemplo, el hierro

será anódico con relación al cobre y catódico respecto al zinc. El metal que actúa como

ánodo se "sacrifica", es decir se disuelve en favor del metal que actúa como

cátodo; por esto el sistema se conoce como protección catódica con ánodos de sacrificio.

Las propiedades que debe reunir un material anódico son las siguientes:

1) Tener un potencial de disolución lo suficientemente negativo como para polarizar

el metal a proteger.

2) El metal que se usa como ánodo debe tener una tendencia relativamente baja a la

polarización, además de no desarrollar películas pasivantes que lo protejan y tener

un potencial que garantice la formación de hidrógeno.

3) El metal debe tener un elevado rendimiento eléctrico de material expresado en

amperes-hora por kg (Ah/kg). Estas especificaciones indican la capacidad del

metal para drenar corriente eléctrica.

4) La corrosión del metal tiene que ser uniforme.

5) El metal debe ser de fácil adquisición y diferentes formas y tamaños.

6) Los costos del metal deben ser razonables, considerando que con las

características electroquímicas correctas garantice una protección a un bajo costo.

42

Tomando en consideración los puntos anteriores solamente el zinc, el magnesio y el

aluminio y sus respectivas aleaciones pueden ser considerados como materiales para

ser utilizados como ánodos de sacrificio.

La realización de la protección catódica con ánodos de sacrificio o galvánicos, se lleva a

cabo con tres metales que logran las exigencias manifestadas: zinc (Zn), magnesio (Mg),

aluminio (Al) y sus aleaciones.

El zinc ha sido siempre el material anódico clásico, y es el pionero en el desarrollo de

la protección catódica.

Los ánodos de aleaciones de magnesio han sido también utilizados con éxito;

principalmente se emplean para la protección de estructuras que requieren de una

polarización rápida, o en medios agresivos de resistividad elevada, como los suelos.

El aluminio es un material anódico de gran interés por sus características electroquímicas.

Sin embargo, la obtención de aleaciones de aluminio adecuadas para ánodos de

sacrificio ha sido más lenta que la de otros metales.

3.2.1 Especificaciones de los materiales a emplear.

3.2.1.1 Especificaciones del ánodo de zinc.

Iones que libera el zinc.

Información Extraída de Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.

Sistema Semirreacción Potencial E (V A 25°C)

Zn 2+ / Zn Zn 2++ 2e-

Zn -0.762

El ánodo de sacrificio debe cumplir las siguientes características, de acuerdo a lo

establecido en la NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los

Sistemas de Protección Catódica.

43

Composición química.

Tabla 3.1. Composición química de ánodos de zinc (valores en porcentaje en peso)

Elemento. Contenido

Aluminio (Al) 0,005 máx.

Cadmio (Cd) 0,003 máx.

Hierro (Fe) 0,0014 máx.

Plomo (Pb) 0,003 máx.

Cobre (Cu) 0,002 máx.

Zinc (Zn) Mínimo 99,9856

Propiedades electroquímicas.

Tabla 3.2. Propiedades electroquímicas de ánodos de zinc.

Propiedad Valor

Eficiencia 95 % Mínimo

Potencial -1,10 V (Cu/CuSO4) (máx.)

Capacidad de drenaje de corriente 780 A-h/kg (mín.)

3.2.1.2 Especificaciones del cátodo de cobre.

Iones que libera el cobre.

Información Extraída de Tabla 2.1. Serie electroquímica de los metales.

Sistema Semirreacción Potencial E (V A 25°C)

Cu 2+ / Cu Cu 2++ 2e-

Cu 0.337

44

3.3 Procedimiento de cálculo para el diseño de protección catódica por ánodos de

sacrificio.

3.3.1 Vida útil de los ánodos.

La vida útil del ánodo se determina de acuerdo al material y peso del mismo. Para un

ánodo con dimensiones especificadas, la entrega de corriente debe ser calculada a partir

de la siguiente expresión.

𝐼 =𝐸𝑐 − 𝐸𝑎𝑅𝑎

…3.1

Donde:

I = Entrega de corriente del ánodo, en A.

Ec = Potencial mínimo de protección, en V.

Ea = Potencial del ánodo, a circuito abierto, en V. (Ver Tabla 3.3)

Ra = Resistencia del ánodo, en Ω.

Para determinar la resistencia del ánodo (Ra) se emplea la ecuación siguiente:

𝑅𝑎 =0,00159𝜌

𝐿(2.3𝑙𝑜𝑔

8𝐿

𝑑− 1)…3.2

Donde:

Ra = Resistencia de un ánodo vertical a tierra, en Ω

ρ = Resistividad del suelo o material de relleno, en Ω-cm.

L = Longitud del ánodo, m.

d = Diámetro del ánodo, en m.:

45

Tabla 3.3. Propiedades electroquímicas de ánodos de sacrificio.

Metal anódico Capacidad de

Corriente teórica (A-año/kg)

Rendimiento (en porcentaje)

Potencial a circuito abierto (V)

Zinc (Zn) 0,094 95 -1,1 vs Cu/CuSO4

Aluminio (Al) 0,340 90 -1,03 vs Ag/AgCl

Magnesio (Mg) 0,251 50 -1,78 vs Cu/CuSO4

El tiempo de vida del ánodo de sacrificio se determina con la siguiente expresión.

𝑉 = 𝐶 × 𝑃 × 𝑅 ×𝑈

𝐼…3.3

Donde:

V = Tiempo de vida expresado en años.

C = Capacidad de corriente en A-año/kg.

P= Peso del ánodo en kg.

R = Rendimiento en porcentaje (Ver Tabla 3.3)

U = Factor de utilización 0,85

I = Entrega de corriente del ánodo en A.

Calculo de la masa anódica requerida

𝑊 = 𝐼 × 𝐷𝑅 × 𝐷𝐿 …3.4

Donde:

W = Peso total de masa anódica requerida, en kg.

I = Entrega de corriente del ánodo en A.

DR = Consumo del ánodo en kg/A-año. (Ver Tabla 3.4)

46

DL = Vida de diseño del sistema, en años.

Tabla 3.4. Consumo de ánodos.

Magnesio 8,64 kg/A-año 19 lb/A-año

Aluminio 5,45 kg/A-año 12 lb/A-año

Zinc 11,3 kg/A-año 25 lb/A-año

Cálculo del número de ánodos requeridos.

𝑁 =𝑊

𝑊𝐴…3.5

Donde:

N = Número de ánodos requeridos

W = Peso total de masa anódica requerida, en kg.

WA = Peso de un solo ánodo, en kg.

Espaciamiento entre ánodos (cuando los ánodos protegen a la malla de tierra)

𝑆 =𝐿

𝑁…3.6

Donde:

S = Espaciamiento, en m.

L = Longitud de la malla de tierra a proteger, en m.

N = Número de ánodos requeridos.

Nota: La separación de los ánodos y la estructura a proteger debe ser al menos de 4,5

metros.

47

3.4 Tratamiento químico del suelo.

En sistemas de ánodos de sacrificio se recomienda usar un material de relleno, con las

siguientes características.

Tabla 3.5. Características del material de relleno para ánodos galvánicos

Material Peso en porcentaje

Yeso seco en polvo 75

Bentonita seca en polvo 20

Sulfato de sodio anhidro 5

Agua para saturar la mezcla -

Cantidad de relleno por ánodo: Peso del ánodo

Cantidad de relleno

Kg (lbs) kg (lbs)

7,72 17 13,62 30

14,53 32 15,89 35

21,79 48 23,61 52

Para mejorar las condiciones de operación de los ánodos en los sistemas enterrados, se

utilizan algunos rellenos.

> Electrodos químicos. Método de modificación del medio que rodea al electrodo, bajando

la resistividad del suelo, lo que recomendables es el uso de:

1. Bentonita. Arcilla cuya virtud principal radica en absorber agua y retenerla. Esta

se coloca alrededor del electrodo y forma un camino adecuado a las corrientes eléctricas

a drenar a tierra, no es corrosiva.

2. Carbón mineral (coque).Extraído de minas, también usado en hornos de

fundición.

3. Otros. Actualmente, se cuentan con varios electrodos químicos que dan

resultados satisfactorios, pero por tener patente, se consiguen en casas comerciales.

NOTA: No es recomendable el uso de sales puesto, que se disuelven con la lluvia, a

menos que el espacio que ocupa el electrodo este controlado y/o se le dé mantenimiento

48

constante, tampoco se recomienda el uso de sulfatos ya que corroen el electrodo

fácilmente.

Uno de los rellenos típicos es Backfill, para ánodos galvánicos, que está constituido por

yeso (CaSO4), bentonita, sulfato de sodio. Específicamente se emplea en ánodos de Mg

y Zn.

Este producto al rodear completamente el ánodo produce algunos beneficios:

Mayor eficiencia.

Homogeneidad en el desgaste del ánodo.

Evita efectos negativos de los elementos que tiene el suelo sobre el ánodo.

Absorbe humedad del suelo, manteniendo la humedad permanente en el área a

proteger.

Prolonga el periodo de vida en ánodos.

Capítulo

IV

Análisis Costo-Beneficio de la

solución técnica.

En este capítulo se realiza una propuesta de instalación empleando

ánodos de sacrificio en un sistema de puesta a tierra para prolongar el

periodo de vida útil 10 años más.

50

4.1 Datos del Sistema de Tierra.

Se considera teóricamente una instalación de un sistema de puesta tierra en un terreno

de 70m x 70m a una profundidad de 1 m, la cual será la protección de una subestación

de 230/23 kV con una capacidad de 120 MVA y una corriente de corto circuito de 40 kA,

y se espera librar la falla en 0.3 segundos, la característica del suelo es un terreno

arcilloso, cuya resistividad para este caso es homogénea de 40 Ω-m. en el caso del

material superficial se tiene grava de galeana con una resistividad de 3x103 Ω-m y un

espesor de 0.25 m, como se muestra en la figura 4.1

Figura 4.1. Dimensiones del terreno.

El primer paso será determinar la corriente de corto circuito simétrica, considerando un

factor de crecimiento a futuro de 30%, la cual se determinara de la siguiente forma:

𝐼𝑓 = 𝑓𝑐 ∙ 𝐼𝑐𝑐 …4.1

Donde:

If: Corriente de falla simétrica a futuro (40 kA)

fc: Factor de crecimiento

51

Icc: Corriente de corto circuito

𝑰𝒇 = 𝟏. 𝟑 ∗ 𝟒𝟎 𝟎𝟎𝟎𝑨 = 𝟓𝟐 𝟎𝟎𝟎 𝑨 = 𝟓𝟐 𝒌𝑨

Ahora se tiene que calcular la sección transversal del conductor a emplear para el sistema

de tierra, para ello se usa la siguiente ecuación:

𝐴𝑚𝑚2 = 𝐼1

√[𝑇𝐶𝐴𝑃𝑥10−4

𝑡𝑐𝛼𝑟𝜌𝑟] ln [

𝐾0 + 𝑇𝑚

𝐾0 + 𝑇𝑎]

…4.2

𝐴𝑘𝑐𝑚 = 𝐼191.4

√[𝑇𝐶𝐴𝑃𝑥10−4

𝑡𝑐𝛼𝑟𝜌𝑟] ln [

𝐾0 + 𝑇𝑚

𝐾0 + 𝑇𝑎]

…4.3

Donde:

Amm2: Sección transversal del conductor en mm2 (o también kcm)

I: Corriente rcm en kA (debe considerarse el incremento de este a valor futuro)

Tm: Temperatura máxima permisible en °C

Ta: Temperatura ambiente en °C

Tr: Temperatura de referencia para las constantes del material en °C

α0: Coeficiente térmico de resistividad a 0°C en 1/°C

αr: Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura requerida de referencia en

Tr en 1/°C

𝜌r: Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr en μΩ-cm

tc: Tiempo de duración de la corriente en segundos.

TCAP: Factor de capacidad térmica por unidad de volumen, en J/(cm3/°C)

K0: 1 𝛼0⁄ o 1 𝛼𝑟⁄ – Tr en °C

52

Los valores de la ecuación anterior para las constantes se obtienen de la siguiente tabla

Tabla 4.1. Constante de materiales.

Para este estudio se utilizará cobre comercial inmersión – dura, del cual las

características son las siguientes:

I: 52 kA; Tm: 1084°C; Ta: 20°C; Tr: 20°C; αr: 0,00381;

𝜌r: 1,78 μΩ-cm; TCAP: 3,42 J/(cm3/°C); K0: 242

Sustituyendo en la ecuación 4.2, tenemos que:

𝐴𝑚𝑚2 =52

√[3.42𝑥10−4

(0.3)(0.00381)(1.78)] ln [

242 + 1084242 + 20

]

𝑨𝒎𝒎𝟐 = 𝟗𝟗, 𝟓𝟗𝟖𝟖 𝒎𝒎𝟐

De acuerdo a la sección transversal obtenida se empleara un conductor de cobre

desnudo 4/0 AWG.

El siguiente paso es determinar las tensiones de paso y de contacto, se debe considerar

que la falla tendrá una duración de 0.3 s. y que la resistividad promedio del suelo es de

80 Ω-m, y que la resistividad de la capa superficial es de 3x103 Ω-m con un espesor de

0.25 m.

53

La ecuación para determinar la tensión de paso es la siguiente:

𝐸𝑝𝑎𝑠𝑜 50 = (1000 + (6𝐶𝑆 ∙ 𝜌𝑆)) (0.116

√𝑡𝑠) …4.4

𝐸𝑝𝑎𝑠𝑜 70 = (1000 + (6𝐶𝑆 ∙ 𝜌𝑆)) (0.157

√𝑡𝑠) …4.5

Donde:

Cs: Factor de reducción

𝜌𝑆: Resistividad de la capa superficial.

Se emplea la ecuación 4.5, puesto que se considera que un peso promedio para una

persona es de 70 kg.

Lo primero que hay que determinar es el factor de reducción, que se calcula con la

siguiente expresión

𝐶𝑆 = 1 − 0,09 (1 −

𝜌𝜌𝑠

)

2ℎ𝑠 + 0,09…4.6

Donde:

𝜌: Resistividad de la capa superior

hs: Espesor de la capa superficial en m

Sustituyendo en la ecuación 4.6 para encontrar el factor de reducción tenemos lo

siguiente:

𝐶𝑆 = 1 − 0,09(1 −

403000)

2(0,25) + 0,09

𝑪𝑺 = 𝟎, 𝟖𝟒𝟗𝟓

Ahora sustituyendo en la ecuación 14 encontramos la tensión de paso

54

𝐸𝑝𝑎𝑠𝑜 70 = (1000 + (6(0,8494) ∙ 3000)) (0,157

√0,3)

𝑬𝒑𝒂𝒔𝒐 𝟕𝟎 = 𝟒𝟔𝟔𝟗, 𝟔 𝑽

Para encontrar la tensión de contacto empleamos la ecuación 4.8.

𝐸𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 50 = (1000 + (1,5𝐶𝑆 ∙ 𝜌𝑆)) (0,116

√𝑡𝑠)…4.7

𝐸𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 70 = (1000 + (1,5𝐶𝑆 ∙ 𝜌𝑆)) (0,157

√𝑡𝑠)…4.8

Ahora se sustituyen los valores encontrados previamente para determinar la tensión de

contacto.

𝐸𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜 70 = (1000 + (1,5(0,8495) ∙ 3000)) (0,157

√0,3)

𝑬𝒄𝒐𝒏𝒕𝒂𝒄𝒕𝒐 𝟕𝟎 = 𝟏𝟑𝟖𝟐,𝟒 𝑽

Cálculo del área del terreno

𝐴 = 𝐿𝑥 ∙ 𝐿𝑦 …4.9

Donde:

A: Área del Terreno

Lx: Longitud del lado x

Ly: Longitud del lado y

Sustituyendo:

𝑨 = 𝟕𝟎 ∗ 𝟕𝟎 = 𝟒 𝟗𝟎𝟎 𝒎𝟐

55

Para determinar el espacio de separación de la rejilla de la malla del sistema de tierras,

la norma NRF-011CFE-2004, indica espaciamientos típicos a partir de 3,5 metros, para

este ejemplo tomaremos esta separación, por lo que la cantidad de rejillas será

𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑥 =𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑

3,5=

70

3,5= 𝟐𝟎… 4.10

𝑁𝑜. 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑦 =𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑

3,5=

70

3,5= 𝟐𝟎…4.11

La red será formada por 21 conductores en el eje x y 21 conductores en el eje y, esto

tomando en cuenta el conductor del punto 0 (origen de la malla)

Por lo cual se tiene una longitud total del conductor igual a:

𝐿𝑐 = (𝑎 ∙ 𝐿𝑥) + (𝑏 ∙ 𝐿𝑦)…4.12

𝑳𝒄 = (𝟐𝟏 ∙ 𝟕𝟎) + (𝟐𝟏 ∙ 𝟕𝟎) = 𝟐𝟗𝟒𝟎 𝒎 = 𝑳𝑻

Con una separación preliminar entre conductores paralelos de:

𝐷 =2𝐿𝑥𝐿𝑦

𝐿𝑐 − 𝐿𝑥 − 𝐿𝑦… 4.13

𝑫 =𝟐(𝟕𝟎)(𝟕𝟎)

𝟐𝟗𝟒𝟎 − 𝟕𝟎 − 𝟕𝟎= 𝟑, 𝟓 𝒎

Calculando la resistencia de la red enterrada a una profundidad h de 1 m. se tiene la

expresión siguiente:

𝑅𝑔 = 𝜌

[ 1

𝐿𝑇+

1

√20𝐴(

1 +1

1 + ℎ√20𝐴 )

]

……4.14

Donde:

Rg: Resistencia de tierra en Ω

56

𝜌: Resistividad promedio del suelo en Ω-m

A: Área ocupada por la rejilla para tierra en m2

Lt: Longitud total de los conductores enterrados

Sustituyendo los valores en la ecuación 4.14 tenemos lo siguiente:

𝑅𝑔 = 40

[

1

2940+

1

√20 ∙ 4900(

1 +1

1 + 1 ∙ √20

4900)

]

𝑹𝒈 = 𝟎, 𝟐𝟔𝟏𝟓 𝛀

La corriente máxima de la red se calcula aplicando el factor de decremento a la corriente

de cortocircuito If, el Factor de decremento para un tiempo de duración de falla tc, está en

función de la relación de reactancia (X) y de resistencia (R), en el punto de falla. Si el

tiempo de duración de la corriente es mayor o igual a 1s o la relación X/R en el punto de

localización de la falla es menor que 5, el factor de decremento puede despreciarse, es

decir Df=1. La expresión es la siguiente sirve para determinar la corriente asimétrica

eficaz IT. Se tomará un factor de decremento de 1.

𝐼𝑇 = 𝐷𝐹 ∙ 𝐼𝐹 …4.15

𝑰𝑻 = 𝟏 ∙ 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎 = 𝟓𝟐 𝒌𝑨

Para determinar el máximo potencial eléctrico, que es la máxima elevación de tensión

de la red ER, se determina empleando la siguiente expresión.

𝐸𝑅 = 𝑅𝑔 ∙ 𝐼𝑇 … 4.16

Donde:

ER: Máxima elevación de tensión de la red.

Rg: Resistencia de tierra en Ω

57

IT: Corriente asimétrica eficaz

𝑬𝑹 = (𝟎, 𝟐𝟔𝟏𝟓)(𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎) = 𝟏𝟑 𝟓𝟗𝟕, 𝟖 𝑽

De acuerdo a lo establecido por la norma si se cumple la condición ER<Econtacto70 el diseño

es seguro y el sistema propuesto es correcto, en este caso se tiene ER>Econtacto70 por lo

cual hay que analizar nuevamente, Teniendo ahora que calcular la longitud total del

perímetro Lp.

𝐿𝑝 = (2𝐿𝑥 + 2𝐿𝑦)… 4.17

𝑳𝒑 = ((𝟐)(𝟕𝟎) + (𝟐)(𝟕𝟎)) = 𝟐𝟖𝟎 𝒎

Se determina ahora el número de conductores en paralelo de la malla “n”.

𝑛𝑎 =2 ∙ 𝐿𝑐

𝐿𝑝…4.18

Donde:

n: número de conductores equivalentes en cualquier dirección

Sustituyendo la ecuación 27 tenemos que

𝒏𝒂 =𝟐 ∙ 𝟐𝟗𝟒𝟎

𝟐𝟖𝟎= 𝟐𝟏

Para rejillas de tierra cuadradas nb = 1, para rejillas cuadradas y rectangulares nc=1 y

nd=1

𝑛 = 𝑛𝑎 ∙ 𝑛𝑏 ∙ 𝑛𝑐 ∙ 𝑛𝑑 …4.19

𝒏 = 𝟐𝟏 ∙ 𝟏 ∙ 𝟏 ∙ 𝟏 = 𝟐𝟏

Se procede ahora a calcular el diámetro del conductor de la red en m, empleando la

ecuación 4.20.

58

𝑑 = √4𝐴𝑇

𝜋…4.20

Como se está empleando un conductor 4/0 AWG se tiene que At=107,2mm2

𝒅 = √(𝟒)(𝟏𝟎𝟕.𝟕)

𝝅= 𝟏𝟏, 𝟔𝟖𝟐 𝒎𝒎 = 𝟎, 𝟎𝟏𝟏𝟕 𝒎

Lo siguiente a determinar es el factor de ajuste para los efectos de los interiores en la

malla de una de las esquinas de la red, Kii (ecuación 4.21).

𝐾𝑖𝑖 =1

2𝑛2

𝑛⁄…4.21

𝑲𝒊𝒊 =𝟏

(𝟐 ∗ 𝟐𝟏)𝟐

𝟐𝟏⁄= 𝟎, 𝟑𝟕𝟒𝟏

Ahora se debe calcular el factor que enfatiza los efectos de la profundidad de la red (Kh),

en donde h0=1, ecuación 4.22, la profundidad que se está tomando en cuenta para la

malla del diseño es h=1m

𝐾ℎ = √1 +ℎ

ℎ0…4.22

Sustituyendo se tiene lo siguiente

𝑲𝒉 = √𝟏 +𝟏

𝟏= 𝟏, 𝟒𝟏𝟒𝟐

El cálculo del factor de espaciamiento para la tensión de malla (Km), se determina a partir

de la siguiente expresión.

𝐾𝑚 =1

2𝜋[ln (

𝐷2

16ℎ𝐷+

(𝐷 + 2ℎ)2

8𝐷𝑑−

ℎ

4𝑑) +

𝐾𝑖𝑖

𝐾ℎln (

8

𝜋(2𝑛 − 1))]…4.23

59

𝐾𝑚 =1

2𝜋[ln (

3.52

16 ∗ 1 ∗ 3.5+

(3.5 + 2 ∗ 1)2

8 ∗ 3.5 ∗ 0.0117−

1

4 ∗ 0.0117) +

0.3741

1.4142ln (

8

𝜋(2 ∗ 21 − 1))]

𝑲𝒎 = 𝟎, 𝟓𝟔𝟐𝟏

El cálculo del factor de corrección por geometría o de irregularidad de la red Ki en función

de “n” está definido por la siguiente expresión:

𝐾𝑖 = 0,644 + 0,148𝑛 …4.24

Obteniendo el factor

𝑲𝒊 = 𝟎, 𝟔𝟒𝟒 + (𝟎, 𝟏𝟒𝟖 ∗ 𝟐𝟏) = 𝟑, 𝟕𝟓𝟐𝟎

Calculando la tensión de malla máxima, ecuación 4.25

𝐸𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 =𝜌 ∙ 𝐾𝑚 ∙ 𝐾𝑖 ∙ 𝐼𝑇

𝐿𝑐…4.25

𝑬𝒎𝒂𝒍𝒍𝒂 =𝟒𝟎 ∙ 𝟎, 𝟒𝟔𝟏𝟏 ∙ 𝟑, 𝟕𝟓𝟐𝟎 ∙ 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎

𝟐𝟗𝟒𝟎= 𝟏 𝟒𝟗𝟐 𝑽

Puesto que la tensión de malla sigue siendo aún mucho mayor que la tensión de contacto

Emalla>Econtacto, Se procede a realizar el diseño instalando varillas de puestas a tierra, se

hará el cálculo para la instalación de 20 varillas de longitud de 3 m.

Teniendo ahora que

𝐿𝑇 = 𝐿𝑐 + 𝐿𝑅 …4.26

Donde:

LR: Sumatoria de la longitud de todas las varillas.

Sustituyendo los valores en la ecuación tenemos que:

𝑳𝑻 = 𝟐𝟗𝟒𝟎 + (𝟐𝟎𝒗𝒂𝒓𝒊𝒍𝒍𝒂𝒔 ∗ 𝟑𝒎) = 𝟑 𝟎𝟎𝟎 𝒎

Calculando la resistencia a tierra tenemos:

60

𝑹𝒈 = 𝟒𝟎

[

𝟏

𝟑𝟎𝟎𝟎+

𝟏

√𝟐𝟎 ∙ 𝟒𝟗𝟎𝟎(

𝟏 +𝟏

𝟏 + 𝟏 ∙ √𝟐𝟎

𝟒𝟗𝟎𝟎)

]

= 𝟎, 𝟐𝟔𝟏𝟐Ω

Los factores Kh, d, no se ven afectados por el rediseño de la malla, sin embargo para una

malla con varillas Kii=1, por lo tanto de la ecuación 32 tenemos lo siguiente:

𝐾𝑚 =1

2𝜋[ln (

3,52

16 ∗ 1 ∗ 3.5+

(3,5 + 2 ∗ 1)2

8 ∗ 3,5 ∗ 0,0117−

1

4 ∗ 0,0117) +

1

1,4142ln (

8

𝜋(2 ∗ 21 − 1))]

𝑲𝒎 = 𝟎, 𝟑𝟔𝟔𝟒

Y el cálculo de la tensión de malla considerando las varillas se obtiene empleando la

siguiente expresión:

𝐸𝑚𝑎𝑙𝑙𝑎 =𝜌 ∙ 𝐾𝑚 ∙ 𝐾𝑖 ∙ 𝐼𝑇

𝐿𝑐 + [1,55 + 1.22(𝐿𝑟

√(𝐿𝑥2 + 𝐿𝑦

2 ))] ∙ 𝐿𝑅

…4.27

Donde:

Lr: longitud de una sola varilla de puesta a tierra

Sustituyendo los valores previamente obtenidos, tenemos que:

𝑬𝒎𝒂𝒍𝒍𝒂 =𝟒𝟎 ∙ 𝟎, 𝟑𝟔𝟔𝟒 ∙ 𝟑, 𝟕𝟓𝟐𝟎 ∙ 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎

𝟐𝟗𝟒𝟎 + [𝟏, 𝟓𝟓 + 𝟏, 𝟐𝟐(𝟑

√(𝟕𝟎𝟐 + 𝟕𝟎𝟐))] ∙ 𝟔𝟎

= 𝟗𝟒𝟏, 𝟗𝟔𝟏𝑽

Se observa que a partir de la implementación de las varillas al sistema de tierra, la tensión

de malla disminuye por debajo de la tensión de contacto.

Tabla 4.2. Primera condición para el Sistema de tierra

Condición 𝑬𝒎𝒂𝒍𝒍𝒂 < 𝑬𝒄𝒐𝒏𝒕𝒂𝒄𝒕𝒐 𝟕𝟎

Valor obtenido 𝟗𝟒𝟏, 𝟗𝟔𝟏𝑽 < 𝟏 𝟑𝟖𝟐, 𝟒 𝑽

61

La segunda condición que se debe cumplir es verificar que la longitud propuesta de

conductor para la red sea mayor que la longitud mínima requerida, empleando la siguiente

ecuación:

𝐿𝐶 𝑚𝑖𝑛 =𝜌𝐾𝑚𝐾𝑖𝐼𝑇√𝑡𝑓

(157 + 0,235𝐶𝑆𝜌𝑆)…4.28

Sustituyendo tenemos que:

𝑳𝑪 𝒎𝒊𝒏 =𝟒𝟎 ∗ 𝟎, 𝟑𝟔𝟔𝟒 ∗ 𝟑, 𝟕𝟓𝟐𝟎 ∗ 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎√𝟎, 𝟑

(𝟏𝟓𝟕 + 𝟎, 𝟐𝟑𝟓 ∗ 𝟎, 𝟖𝟒𝟗𝟓 ∗ 𝟑𝟎𝟎𝟎)= 𝟐 𝟎𝟕𝟏, 𝟕 𝒎

Tabla 4.3. Segunda condición para el Sistema de tierra

Condición 𝑳𝑪 𝒎𝒊𝒏 < 𝑳𝑪

Valor obtenido 𝟐 𝟎𝟕𝟏, 𝟕 𝒎 < 𝟐 𝟗𝟒𝟎 𝒎

Para conocer la longitud efectiva del conductor que se requiere con o sin varillas de

puesta a tierra, se emplea la siguiente expresión:

𝐿𝑠 = 0,75𝐿𝑐 + 0,85𝐿𝑅 …4.29

Donde:

Ls: Es la longitud efectiva del conductor

Sustituyendo se tiene que:

𝑳𝒔 = 𝟎, 𝟕𝟓(𝟐𝟗𝟒𝟎) + 𝟎, 𝟖𝟓(𝟔𝟎) = 𝟐 𝟐𝟓𝟔 𝒎

Para calcular el factor de espaciamiento para la tensión de paso, se emplea la ecuación

siguiente:

𝐾𝑠 =1

𝜋[

1

2 ∗ ℎ+

1

𝐷 + ℎ+

1

𝐷(1 − 0.5𝑛−2)]…4.30

Donde:

Ks: Factor de espaciamiento para la tensión de paso

62

Sustituyendo obtenemos:

𝑲𝒔 =𝟏

𝝅[

𝟏

𝟐 ∗ 𝟏+

𝟏

𝟑, 𝟓 + 𝟏+

𝟏

𝟑, 𝟓(𝟏 − 𝟎, 𝟓𝟐𝟏−𝟐)] = 𝟎, 𝟑𝟐𝟎𝟖

Con los resultados de las ecuaciones 4.19 y 4.20, se procede a calcular la tensión de

paso máxima en la red.

𝐸𝑠 =𝜌𝐾𝑠𝐾𝑖𝐼𝑇

𝐿𝑠…4.31

Donde:

Es: Tensión de paso máxima en la red

Sustituyendo

𝑬𝒔 =𝟒𝟎 ∗ 𝟎, 𝟑𝟐𝟎𝟖 ∗ 𝟑, 𝟕𝟓𝟐𝟎 ∗ 𝟓𝟐𝟎𝟎𝟎

𝟐𝟐𝟓𝟔= 𝟏 𝟏𝟎𝟗, 𝟗 𝑽

Tabla 4.4. Tercera condición para el Sistema de tierra

Condición 𝑬𝒔 < 𝑬𝒑𝒂𝒔𝒐𝟕𝟎

Valor obtenido 𝟏 𝟏𝟎𝟗, 𝟗 𝑽 < 𝟒 𝟔𝟔𝟗, 𝟔 𝑽

Se comprueba que la magnitud de tensión de paso máxima de la red se encuentra por

debajo del valor de tensión de paso tolerable por el cuerpo humano para una persona de

un peso de 70 kg.

Cumpliendo estas tres condiciones el diseño del sistema de tierra es seguro, por lo cual

ahora se procede a calcular la protección catódica para el sistema de tierra.

De acuerdo a las dimensiones del terreno se usarán:

20 Varillas de puesta a tierra.

2940 m de conductor de cobre desnudo 4/0 AWG para la malla del sistema de

puesta a tierra.

63

Figura 4.2. Malla de tierra calculada.

Las características del ánodo de sacrificio son las mostradas en la figura 4.3.

Figura 4.3. Características del ánodo de sacrificio.

64

4.2 Cálculo del número de ánodos de sacrificio a emplear.

Primero se determina la corriente que entrega el ánodo de sacrificio. De acuerdo a la

ecuación 3.1

𝐼 =𝐸𝑐 − 𝐸𝑎

𝑅𝑎

Para ello es necesario conocer el valor Ra, el cual se obtiene de la ecuación 3.2. En el

cual tomaremos el promedio de las resistividades del terreno.

𝜌 = 40 Ω − m……… (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑)

𝑅𝑎 =(0,00159)(40)

0,3(2,3𝑙𝑜𝑔

8(0,3)

0,035− 1) = 2,0543Ω

Se toma de referencia el valor de la tabla 7 para establecer el potencial Ea. El valor de

Ec, es de 0.337V de acuerdo a las características del terreno determinado por el valor de

medición de un electrodo de sulfato de cobre CuSO4.

𝐼 =0,337 − (−1,1)

2,0543= 0,6995 𝐴

Se determina el tiempo de vida del ánodo de acuerdo a la ecuación 3.3 y con los datos

del ánodo a emplear. El rendimiento R se toma de la tabla 3.3.

𝑉 = 𝐶 × 𝑃 × 𝑅 ×𝑈

𝐼

𝑉 = (0,078 A − año

kg) × 11,8 𝑘𝑔 × 0,95 ×

0,85

2,8 𝐴= 1,0625 𝑎ñ𝑜𝑠

65

Calculo de la masa anódica requerida, ecuación 3.4. El valor DR se obtiene de la tabla 8.

Se quiere que el diseño del sistema tenga un periodo de vida de 10 años

𝑊 = 𝐼 × 𝐷𝑅 × 𝐷𝐿

𝑊 = 2,8 𝐴 × 11,3𝑘𝑔

𝐴 − 𝑎ñ𝑜× 10𝑎ñ𝑜𝑠 = 79,0444 𝑘𝑔

Se calcula el número de ánodos que se utilizaran para satisfacer los 10 años de vida útil

del sistema. Considerando la ecuación 3.5.

𝑁 =𝑊

𝑊𝐴

𝑁 =79,0444 𝑘𝑔

11,8 𝑘𝑔= 6,6987 ≅ 7 Á𝑛𝑜𝑑𝑜𝑠.

Los 7 ánodos se distribuyen el potencial de reacción, prolongando la vida del sistema de

ánodos de sacrificio por 10 años, si se tuviera un solo ánodo conectado a la red de tierras

este se consumiría en 1,0625 años.

La separación de los ánodos se calcula con la ecuación 3.6.

𝑆 =280𝑚

7= 40𝑚

66

Figura 44. Malla de tierra con ánodos de sacrificio.

La norma NRF-047-PEMEX-2007 Diseño Instalación y Mantenimiento de los Sistemas

de Protección Catódica, establece que para instalaciones de ánodos de sacrificio

enterrados, se debe cumplir con una separación mínima de 4,5 m. Por lo que la

separación calculada está dentro de los parámetros de la norma.

La bentonita solo se emplearía en terrenos cuya resistividad sea muy elevada y se

requiera reducir a valores de resistencia en los cuales el sistema de tierras este dentro

de lo que especifica la Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES

ELÉCTRICAS (UTILIZACIÓN). ARTICULO 921-18.

67

4.3 Costo del Material a Utilizar.

Tabla 4.5. Precio de los materiales.

Articulo Descripción Precio con IVA

Varilla Copperweld 1 pza. $ 205.00

Conductor 0,972kg/m $ 241.11

Electrodos de Zinc 1 pza. $1 676.00

**Los precios no incluyen obra civil, y están proporcionados con IVA incluido**

4.3.1 Análisis sin emplear ánodo de sacrificio.

Usando solo varillas y la malla de tierra se estima que el periodo de vida de la instalación

sería de 4 a 8 años (las condiciones del medio ambiente determina que el periodo de vida

sea corto o largo).

Costo a 6 años promedio del periodo de vida útil de la instalación.

Tabla 4.6. Costo de la instalación sin ánodos de sacrificio.

Articulo Cantidad Descripción Precio unitario Total

Varilla Copperweld 20 pza. 1 pza. $ 205.00 $ 4 100.00

Conductor 2940 m 0,972kg/m $ 241.11 $708 863.40

Total. $712 963.40 **Los precios no incluyen obra civil **

4.3.2 Análisis empleando ánodos de sacrificio para protección de todo el sistema

de tierra.

Empleando los ánodos de sacrificio que han sido calculados para un periodo de vida de

10 años el sistema de tierra prolonga el periodo de vida entre 12 y 15 años y el costo es

de:

Costo a 12 años promedio del periodo de vida útil de la instalación.

68

Tabla 4.7. Costo de la instalación con 7 ánodos de sacrificio.

Articulo Cantidad Descripción Precio unitario Total

Varilla Copperweld 20 pza. 1 pza. $ 205.00 $ 4 100.00

Conductor 2940 m 0,972kg/m $ 241.11 $708 863.40

Electrodos de Zinc 7 pza. 1 pza. $1 676.00 $ 11 732.00

Total. $ 724 695.00

**Los precios no incluyen obra civil **

4.4 Análisis de costos de las propuestas.

Para fines de estudio se analiza una situación a un periodo de 24 años.

La propuesta del punto 4.3.1, indica un costo total de instalación de $ 724, 695.00, y un

periodo de vida útil de 6 años. Por lo que en un periodo de 24 años.

Se habrán realizado al menos el equivalente a 4 veces el costo de inversión inicial. Es

decir:

Tabla 4.8. Inversión a 24 años de un sistema sin protección

Inversión Total

24 años 0-6 años 7-12 años 13-18 años 19 a 24 años

$712 963.40 $712 963.40 $712 963.40 $712 963.40 $ 2 851 853.60

La propuesta del punto 4.3.2, indica un costo total de instalación de $ 724 695.00, y un

periodo de vida útil de 12 años. Por lo que en un periodo de 20 años.

Se habrán realizado al menos el equivalente a 2 veces el costo de inversión inicial. Es

decir:

69

Tabla 4.9. Inversión a 24 años de un sistema con protección

Inversión Total

24 años 0-12 años 13-24 años

$724 695,00 $724 695,00 $ 1 449 390,00

Si comparamos el Total invertido a 24 años, podemos observar que para un sistema sin

protección a un periodo a 25 años se habrá invertido un 96.76% más que con un sistema

con protección catódica.

Capítulo

V

Conclusiones y recomendaciones.

71

Conclusiones.

La solución propuesta de utilizar ánodos de sacrificio en un sistema de puesta a tierra no

es común, los ánodos de sacrificio son muy empleados, se aplica mucho a otro tipo de

sistemas o estructuras que requieren protección contra la corrosión, como es el caso de

ductos que transporten algún fluido como puede ser petróleo, gas, agua potable, en el

caso de edificios la estructura de los mismos.

Se observa que teóricamente los resultados obtenidos del análisis cumplen con el

objetivo por el cual se llevó a cabo el estudio.

La protección catódica por ánodos de sacrificio aplicada a un sistema de tierras detiene

el proceso de corrosión. Aunque la elevación del costo de instalación aumenta al emplear

ánodos de sacrificio, la inversión es redituable, el periodo de vida de la instalación puede

aumentar de tal forma que incluso llega a alcanzar periodos de vida de 2 veces o 3 lo

estimado.

La pauta para seleccionar este método como protección está determinada directamente

a las condiciones del terreno, si es un terreno sumamente enriquecido en sales, se tendrá

que dar tratamiento al suelo para conseguir que los ánodos puedan rendir más y así

prolongar el periodo de vida.

Una ventaja considerable es que la instalación de ánodos de sacrificio es fácil de llevar a

cabo, siendo así flexible para la adición futura de nuevos ánodos.

También hay que tener en consideración que este método tiene normas que pueden ser

consultadas para situaciones específicas. Se cuenta con normas nacionales que trabajan

con este método, pero además hay normas internacionales, como es el caso de la norma

ASTM B418 TIPO II.

72

Recomendaciones.

Únicamente personal técnico especializado puede llevar a cabo una instalación de este

tipo, puesto que se requiere del amplio conocimiento del sistema de puesta a tierra y

además conocimiento sobre la protección catódica. Esta recomendación es con fines de

que la aplicación sea adecuada y no presente fallas por una mala instalación.

Se recomienda que para hacer uso de ánodos de sacrificio estos se vean rodeados de

un compuesto conocido como backfill. Este compuesto dará las mejores propiedades de

eficiencia así como de durabilidad a los ánodos, por esta razón es un excelente

complemento al sistema de protección.

Anexo.

74

Comprobación de cálculos de red de tierras empleando el software CYMGrd, versión

6.3.

En la siguiente tabla se muestran los valores obtenidos de la red de tierra, utilizando el

software antes mencionados que comparado con los resultados obtenidos del capítulo

IV, se verifican los criterios de aceptación que son tensión de paso y tensión de

contacto.

Tabla. Reporte del perfil de potencial

Reporte del perfil de potencial

Nombre de la subestación TES

Proyecto TES

Estudio TES

Parámetros

Título Diagrama de perfil de potencial

Nombre de la barra 230

Corriente de falla LG 52 000 A

Contribución a distancia 100% Corriente del electrodo de retorno 0 A

Espesor de la capa superior 1 m

Resistividad de la capa superior 40 ohm-m

Resistividad de la capa inferior 40 ohm-m

Potenciales iguales (distintos) Sí

X1 0 m

Y1 0 m

X2 70 m

Y2 70 m

Intervalo entre los pasos 1 m

75

Niveles de umbral del potencial de contacto

Elevación del potencial de tierra 13 405 V

Tensión máxima de paso 4 669,63 V

Tensión máxima de contacto 1 382,39 V

Máximo

Potenciales de superficie 12 757,7 V

Potenciales de paso 506,74 V

Potenciales de contacto 2 871,43 V

El diagrama de contorno de potencial muestra las zonas de seguridad proyectadas para

una determinada red de tierra. La figura A1 indica la zona de seguridad en el área central.

Figura A1. Diagrama de contorno de potencial.

76

El diagrama de perfil de potencial establece los límites de elevación de potencial, tensión

de contacto máximo admisible, tensión de paso máximo admisible. Las líneas

discontinuas de la figura A2 establecen los límites máximos admisibles, las líneas

continuas indican los valores calculados, los cuales no deben ser mayores a los límites

establecidos.

Figura A2. Diagrama de perfil de potencial.

77

Glosario

A tierra: Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo

eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal.

Ampacidad: Corriente máxima que un conductor puede transportar continuamente, bajo

las condiciones de uso, sin exceder su rango de temperatura.

Ánodo: Electrodo en el cual, o a través del cual, la corriente positiva pasa hacia el

electrolito.

Carga (eléctrica): Es la diferencia de potencia instalada o demandada en un circuito

eléctrico.

Cátodo: Electrodo en el cual entra la corriente positiva proveniente del electrolito.

Conductividad: es la propiedad de aquello que es conductivo (es decir, que tiene la

facultad de conducir. Se trata de una propiedad física que dispone aquellos objetos de

transmitir la electricidad o el calor.

Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito

puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo de puesta a tierra.

Conductor puesto a tierra: Conductor de un sistema o de un circuito, intencionalmente

puesto a tierra.

78

Corriente eléctrica: Es el flujo de electrones a través de un conductor, debido a una

intervención de electrones.

Corriente de cortocircuito: Posible corriente de falla simétrica a la tensión nominal, a la

cual un aparato o un sistema puede estar conectado sin sufrir daños que excedan los

criterios de aceptación definidos.

Corriente de falla: La tensión desarrollada entre el bastidor del equipo móvil o portátil y

tierra, por el flujo de la máxima corriente de falla a tierra, no debe ser mayor a 100 volts.

Diferencia de potencial: Diferencia de voltaje entre dos puntos, equivalente al trabajo

que se necesita para transferir una unidad de carga desde un punto de referencia a otro

determinado.

Electrodo: cuerpo metálico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados, en

contacto último con el suelo y destinados a establecer una conexión.

Galvanizado: Recubrimiento de zinc, que se obtiene por inmersión en caliente, hecho

con la finalidad de proporcionar una protección a la oxidación y en cierto porcentaje a la

corrosión.

Guarda: Elemento protector para prevenir un contacto accidental con un conductor

eléctrico.

Heterogéneo: aquello que está compuesto de partes de distinta naturaleza.

Homogéneo: es aquello que pertenece o que está relacionado a un mismo género.

79

Ionización: Cuando un átomo pierde uno de sus electrones.

Polaridad eléctrica: Propiedad de los terminales (polos) de una batería o de una pila,

que pueden ser positivos o negativos. La corriente eléctrica circula desde el cátodo (polo

negativo) hacia el ánodo (polo positivo), generando un flujo que permite el funcionamiento

de diversos dispositivos a través de la energía eléctrica.

Puesto a tierra: Conectado (conexión) a tierra o a algún cuerpo conductor que extiende

la conexión a tierra.

Resistencia eléctrica: propiedad que tienen los materiales de oponerse al paso de la

corriente.

Resistencia mecánica: cuando un sólido cilíndrico a un esfuerzo dirigido según sus

generatrices, aquel se deforma por efecto de la fuerza exterior, y en sus moléculas se

produce fuerza interna correspondiente a tal deformación. Si las fuerzas interiores

sobrepasan por unidad de sección un valor límite determinado tendremos una

deformación permanente y luego la rotura.

Rigidez dieléctrica: Capacidad de un aislante de resistir un esfuerzo de tensión sin que

se produzca la ruptura dieléctrica del material.

Sistema de puesta a tierra: Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico

específico, sin interrupciones ni fusibles, que une los equipos eléctricos con el suelo o

terreno. Comprende la puesta a tierra y todos los elementos puestos a tierra.

80

Tensión (de un circuito): La mayor diferencia de potencial (tensión rms) entre dos

conductores cualesquiera de un circuito considerado.

Tierra: Para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a

sistemas de puesta a tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa,

chasis, carcaza, armazón, estructura o tubería de agua. El término "masa" solo debe

utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en aviones, barcos

automóviles y otros.

Tierra aislada: conductor de tierra de equipo (aislado color verde) que recorre las mismas

conducciones o canalizaciones que los conductores de alimentación.

Bibliografía

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Segunda Edición. Editorial Limusa, 2001.

[2] Norma Oficial Mexicana NOM 001 SEDE 2012. INSTALACIONES ELÉCTRICAS

(UTILIZACIÓN). Artículo 250, Artículo 921.

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Wiley, 2008.

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Editorial La ciencia para todos, 1987.

[5] Javier Ávila y Joan Genesca, “Más allá de la Herrumbre II: La lucha contra la

corrosión”, Primera edición, Editorial La ciencia para todos, 1989.

[6] www.conduzinc.com, consultado el 03/junio/2015 a las 15:35 hrs.

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Sistemas de Protección Catódica.

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materiales empleados en la edificación”, Editorial AlfaOmega, 2013.

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a una Subestación Eléctrica de potencia 230/23 kV”, TESIS-IPN, 2009.

[10] CFE, NRF-011-CFE-2004 Sistema de Tierra Para Plantas y Subestaciones

Eléctricas.

[11] IEEE, IEEE-Std80-2000 Guide for Safety in AC Subestation Grounding

[12] Germán Moreno Ospina, Jaime Alejandro Valencia Velásquez, Carlos Alberto

Cárdenas Agudelo, Walter Mauricio Villa Acevedo, “Fundamentos e ingeniería de

las puestas a tierra. Respuestas ante fallas eléctricas y rayos”, Septiembre 2007.

[13] Jaime Casabó i Gispert, “Estructura atómica y enlace químico”, Editorial

Reverté, 1997.

[14] José Coto Aladro, “Análisis de sistemas de energía eléctrica”, Editorial

Universidad de Oviedo, 2002.

[15] Enríquez Harper, “El ABC de las instalaciones eléctricas residenciales”, Editorial

Limusa, 2005.

[16] Enríquez Harper, “Manual de instalaciones electromecánicas en casas y

edificios, hidráulicas, sanitarias, aire acondicionado, gas, eléctricas y alumbrado”,

Editorial Limusa, 2003.