Un buen sistema de puesta a tierra es necesario para mantener buenos

niveles de seguridad del personal, operación de los equipos y

desempeño de los mismos.

En sistemas de potencia la puesta a tierra mantiene la referencia

necesaria. La forma en que el sistema se conecta a tierra puede tener

un gran efecto en la magnitud de los voltajes de línea a tierra que

deben ser mantenidos en condiciones normales y bajo condiciones

transitorias. En sistemas no puestos a tierra, algunas tensiones pueden

provocar fallas en el aislamiento de los equipos y sistemas. La puesta a

tierra del neutro del sistema permite la operación de sistemas de

protección basados en la detección de corrientes que circulan por la

misma, despejándose así el circuito bajo falla.

La puesta a tierra de los equipos se refiere a la conexión intencional de

las carcasas, bastidores o estructuras metálicas no portadores o

transmisores de corriente de los mismos, para lograr los siguientes

propósitos:

Mantener una diferencia de voltaje baja entre las diferentes

estructuras metálicas con lo que se busca resguardar al personal

de cualquier choque eléctrico. En el momento de una falla de

un elemento energizado a un bastidor, por ejemplo, el voltaje

de dicho bastidor tiende a igualarse al del conductor

energizado, si el primero no está debidamente conectado a

tierra; constituyendo un serio peligro para el personal del área.

Por supuesto, esto debe combinarse con buenos relés de

protección de falla a tierra.

Contribuir a un mejor desempeño de los sistemas de protección.

Evitar incendios provocados por materiales volátiles o la

combustión de gases al proveer un camino efectivo y seguro

para las circulación de corrientes de falla y descargas

atmosféricas y estáticas y así eliminar los arcos y elevadas

temperaturas en los equipos eléctricos, que pueden provocar

tales incendios.

Buen desempeño de equipos. En los sistemas o redes de

computación una buena puesta a tierra no sólo mantiene la

seguridad del personal y provee de un camino de baja

impedancia para las corrientes de falla, sino que también

mantiene el mismo nivel de potencial de tierra en todas las

unidades del sistema, si estas están conectadas entre sí a tierra

al mismo tiempo. Si se tienen varios sistemas de alimentación

en AC, cada uno con su tierra separada se puede producir ruido

en el sistema de tierra conectado a las computadoras. En este

caso se utiliza una malla de referencia de señales para igualar el

voltaje en un mayor rango de frecuencia. Las carcazas de las

computadoras se conectarán a esta malla y a la barra de tierra

del sistema. La malla se conectará también a la barra de tierra

principal.

Estas son, entre otras, las razones de la necesidad de un buen

sistema de puesta a tierra, así como de su mantenimiento.

Las puestas a tierra de la mayoría de las instalaciones

eléctricas cumplen con tres propósitos básicos:

Limitan la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar

en un momento dado las masas metálicas de la instalación

(protección frente a contactos indirectos). Para ello, derivan a

tierra las correspondientes corrientes de defecto.

Proveen una ruta segura de circulación a tierra de las eventuales

descargas atmosféricas, y de las corrientes de fuga de los

receptores electrónicos.

Ofrecen una tensión nula de referencia para los receptores

electrónicos de la propia instalación, así como para las señales

de datos que sirven para comunicar los equipos informáticos.

Arreglos o tipos de sistema de puesta a tierra

Existen dos tipos de sistemas de puesta a tierra; simples y

complejos. Los simples consisten en un electrodo aislado

enterrado. Este sistema es el más utilizado y se puede encontrar

en sitios residenciales. Los sistemas complejos consisten en un

conjunto de electrodos interconectados, mallas, platos de tierra

y lazos o anillos de tierra. Estos últimos son instalados

normalmente en subestaciones, oficinas centrales y centros de

telecomunicaciones.

En la Figura se pueden ver algunos ejemplos de estos sistemas

de puesta a tierra.

se debe tener en cuenta no sólo al diseñar el arreglo de los electrodos sino también en el momento de colocar los electrodos de prueba a la hora de realizar mediciones de resistencia de un sistema de puesta a tierra, como se verá más adelante.

2.3.1. Arreglos o tipos de sistema de puesta a tierra Existen dos tipos de sistemas de puesta a tierra; simples y complejos. Los simples consisten en un electrodo aislado enterrado. Este sistema es el más utilizado y se puede encontrar en sitios residenciales. Los sistemas complejos consisten en un conjunto de electrodos interconectados, mallas, platos de tierra y lazos o anillos de tierra. Estos últimos son instalados normalmente en subestaciones, oficinas centrales y centros de telecomunicaciones. En la Figura 3 se pueden ver algunos ejemplos de estos sistemas de puesta a tierra.

Figura 3: Electrodos de Puesta a tierra [8]. A) Barra o jabalina; b) Arreglo de electrodos en paralelo; c) Malla; d) Plato

2.4. Valores de Resistencia recomendados

Los valores recomendados por el Std IEEE 142-1991 [6] son los siguientes:

• Para grandes subestaciones, líneas de transmisión y estaciones de generación: 1 Ohm

Método de los cuatro electrodos

o método de Wenner

• Para Subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales: 1-5 Ohm

• Para un electrodo simple: 25 Ohm

3. MÉTODOS TRADICIONALES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DE TIERRA

Se describirá un método para la medición de la resistividad de un terreno, considerando que es homogéneo.

3.1. Método de los cuatro electrodos o método de Wenner

Este método fue desarrollado por Frank Wenner del US Bureau Of Standards en 1915 (F. Wenner, A Method of Measuring Earth Resistivity; Bull, National Bureau of Standards, Bull 12(4) 258, s 478-496; 1915/16).

(a) (b)

Figura 4: (a) Megger e instalación de Electrodos [8] ; (b) Funcionamiento del Método Wenner.

En las Figuras 4 (a) y (b) se describe gráficamente el método de Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe exceder un décimo de la distancia a. El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será:

•= 2• * A * R si b << a

En las Figuras (a) y (b) se describe gráficamente el método de

Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a

una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad,

b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y

del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe

exceder un décimo de la distancia a.

El método consiste en inyectar una corriente conocida por los

electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1

y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la

inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede

calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a

una profundidad, b, será:

• Para Subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales: 1-5 Ohm

• Para un electrodo simple: 25 Ohm

3. MÉTODOS TRADICIONALES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD DE TIERRA

Se describirá un método para la medición de la resistividad de un terreno, considerando que es homogéneo.

3.1. Método de los cuatro electrodos o método de Wenner

Este método fue desarrollado por Frank Wenner del US Bureau Of Standards en 1915 (F. Wenner, A Method of Measuring Earth Resistivity; Bull, National Bureau of Standards, Bull 12(4) 258, s 478-496; 1915/16).

(a) (b)

Figura 4: (a) Megger e instalación de Electrodos [8] ; (b) Funcionamiento del Método Wenner.

En las Figuras 4 (a) y (b) se describe gráficamente el método de Wenner. Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, b. Las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra. La distancia b no debe exceder un décimo de la distancia a. El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será:

•= 2• * A * R si b << a

Como los resultados de la medición son normalmente afectados por materiales

metálicos enterrados, se recomienda realizar la medición varias veces

cambiando el eje de los electrodos unos 90°. Cambiando la profundidad y

distancia de los electrodos se puede tener un valor de resistividad más

aproximado al real y con ello un mejor diseño del sistema de puesta a tierra a

construir.

La medición de la resistividad del suelo es comúnmente distorsionada por la

existencia de corrientes de tierra y sus armónicas. Para corregir esto, muchos

equipos tienen un sistema de control de frecuencia que permite seleccionar la

frecuencia de medición con la menor cantidad de ruido y así obtener una

medición clara.

Método de la pendiente

Este método es más utilizado para sistemas de puesta a tierra

grandes o cuando la posición del centro de la puesta a tierra no es

conocido y es inaccesible (por ejemplo; el sistema esta por debajo

del suelo de un edificio). También puede ser utilizado cuando el

área para colocar los electrodos de prueba está restringida o es

inaccesible. También se utiliza cuando otros métodos dan

resultados poco razonables y es, en general, más preciso.

La forma de conexión del equipo de medición es como en el

método de caída de potencial, con la diferencia de que se hace un

barrido más completo con el electrodo de potencial, entre el

electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de

corriente.

Se realiza una medición de resistencia en cada posición del

electrodo de potencial y los resultados se grafican (resistencia en

función de la distancia del electrodo de potencial). En la Grafica 1

se ilustra un ejemplo a manera de ilustración.

En la Gráfica 1 EC es la distancia total, en línea recta, entre el

electrodo de puesta a tierra bajo estudio y el electrodo de

corriente. Se realizan al menos unas seis medidas. Al observar la

gráfica resultante se puede descartar o ignorar cualquier punto

considerado absurdo. De la gráfica se puede tomar el valor de

resistencia para 0,2EC; 0,4EC y 0,6EC por ejemplo. Estos valores

se llamaran R1, R2 y R3 respectivamente y con ello se calcula el

coeficiente de la pendiente, μ, como sigue:

μ = (R3-R2) / (R2-R1)

Que es una medida del cambio de la pendiente de la curva de

resistencia del electrodo de puesta a tierra bajo estudio.

Se tienen las tablas de para obtener el valor de Pt / EC para el

valor de μ obtenido. Pt es la distancia al electrodo de potencial

en la cual la resistencia real sería medida. Simplemente se

multiplica el valor Pt / EC de la tabla por la distancia EC para

obtener Pt.

De la curva realizada anteriormente se obtiene el valor de

resistencia para la distancia Pt obtenida de la tabla y ésta será

el valor de resistencia del electrodo de puesta a tierra del

sistema bajo estudio.

Si el valor de μ obtenido no está en la tabla, el electrodo de

corriente se debe colocar más lejos del electrodo de puesta a

tierra.

Si es necesario, posteriores mediciones se pueden obtener

variando la distancia EC o variando la dirección de la línea recta

en la que se colocan los electrodos de prueba. De los resultados

obtenidos de resistencia para varios valores de EC se puede

realizar una gráfica como la Gráfica 2 mostrada a continuación:

En la Gráfica 2 se observa como la resistencia del electrodo bajo prueba

decrece a medida que la distancia EC es aumentada. Las distancias de EC

escogidas en las pruebas 1 y 2 no fueron lo suficientemente grandes y las

escogidas en las pruebas 5 y 6 son preferibles ya que los valores de resistencia

obtenidos en ellas varían poco.

Recomendaciones

En caso de realizar mediciones en áreas donde se encuentren

objetos metálicos enterrados (cabillas, tuberías, etc) se

requiere realizar mediciones ortogonales y la interpretación de

las gráficas resultantes, para poder eliminar así de la medición

la influencia de estos objetos metálicos.

La presencia de líneas energizadas de alta tensión en las

cercanías del área donde se está llevando a cabo la medición,

afecta la calidad de la misma. Para evitar esta interferencia se

debe realizar la medición en una dirección perpendicular a la

línea de transmisión. Incluso, se pueden lograr resultados

satisfactorios abriendo los electrodos de potencial y corriente

unos 90°.

En caso de que el terreno este muy seco, es recomendable

humedecer los electrodos de los extremos especialmente (los de

corriente), para disminuir la resistencia del electrodo de tierra.

4.6. Recomendaciones adicionales

• En caso de realizar mediciones en áreas donde se encuentren objetos metálicos enterrados (cabillas, tuberías, etc) se requiere realizar mediciones ortogonales y la interpretación de las gráficas resultantes, para poder eliminar así de la medición la influencia de estos objetos metálicos.

• La presencia de líneas energizadas de alta tensión en las cercanías del área donde se está llevando a cabo la medición, afecta la calidad de la misma. Para evitar esta interferencia se debe realizar la medición en una dirección perpendicular a la línea de transmisión. Incluso, se pueden lograr resultados satisfactorios abriendo los electrodos de potencial y corriente unos 90° como se muestra en la Figura 11:

Figura 11: Electrodos de corriente y Potencial a 90° [3]

• En caso de que el terreno este muy seco, es recomendable humedecer los electrodos de los extremos especialmente (los de corriente), para disminuir la resistencia del electrodo de tierra.

4.6.1. Ruido excesivo [10]

Durante la ejecución del método de la caída de potencial el ruido excesivo puede interferir con la medición debido a la gran longitud de los cables de los electrodos de prueba. Para medir el ruido se puede conectar un voltímetro entre las terminales X y Z (P1 y C2 en otros equipos) como se observa en la Figura 12.

Método Selectivo con uso de pinza

Algunos fabricantes proponen la utilización de transformadores

de corriente en forma de pinzas para realizar mediciones de

resistencia mediante métodos parecidos al de caída de

potencial.

Este método permite medir electrodos individuales en todos los

tipos de sistemas de puesta a tierra incluyendo mallas que son

comunes en subestaciones, torres de alto voltaje con cableado a

tierra e instalaciones comerciales con tierras múltiples.

Al medir el flujo de corriente a través de un electrodo usando

un transformador de corriente en forma de pinza, los efectos de

resistencias paralelas son eliminados del proceso de medición y

por tanto no afectan los resultados de la medición. Las reglas

para la colocación de los electrodos de prueba son las mismas

que las utilizadas en el método de caída de potencial. En la

Figura se muestra un dibujo del montaje requerido para aplicar

este método.

5.1. Método Selectivo con uso de pinza

Algunos fabricantes [8] proponen la utilización de transformadores de corriente en forma de pinzas para realizar mediciones de resistencia mediante métodos parecidos al de caída de potencial. Este método permite medir electrodos individuales en todos los tipos de sistemas de puesta a tierra incluyendo mallas que son comunes en subestaciones, torres de alto voltaje con cableado a tierra e instalaciones comerciales con tierras múltiples.

Al medir el flujo de corriente a través de un electrodo usando un transformador de corriente en forma de pinza, los efectos de resistencias paralelas son eliminados del proceso de medición y por tanto no afectan los resultados de la medición. Las reglas para la colocación de los electrodos de prueba son las mismas que las utilizadas en el método de caída de potencial. En la Figura 16 se muestra un dibujo del montaje requerido para aplicar este método.

Figura 16: Método Selectivo [8]

Como se observa, el electrodo bajo prueba no tiene que desconectarse para realizar la medición. El terminal X, C1 o E (dependiendo del fabricante) del equipo se conecta aguas arriba de la pinza, pero aguas abajo de cualquier conexión en paralelo de otro electrodo de puesta a tierra (interconexión de tierra o metal del edificio o estructura). La pinza debe estar sobre el suelo, sin ninguna interconexión aguas abajo de la misma. Al iniciar la medición se obtendrá la medida de resistencia de ese camino individual a tierra. Este es el valor de resistencia del electrodo en estudio en un sistema múltiple de puesta a tierra. De esta forma se puede medir cada electrodo de puesta a tierra sin necesidad de desconectar cada uno de ellos para realizar la medición.

Para verificar los resultados y asegurarse de que los electrodos de prueba están fuera de las “esferas de influencia” de los demás electrodos se realiza una nueva

Como se observa, el electrodo bajo prueba no tiene que desconectarse para

realizar la medición. El terminal X, C1 o E (dependiendo del fabricante) del

equipo se conecta aguas arriba de la pinza, pero aguas abajo de cualquier

conexión en paralelo de otro electrodo de puesta a tierra (interconexión de

tierra o metal del edificio o estructura). La pinza debe estar sobre el suelo, sin

ninguna interconexión aguas abajo de la misma. Al iniciar la medición se

obtendrá la medida de resistencia de ese camino individual a tierra. Este es el

valor de resistencia del electrodo en estudio en un sistema múltiple de puesta a

tierra. De esta forma se puede medir cada electrodo de puesta a tierra sin

necesidad de desconectar cada uno de ellos para realizar la medición.

Para verificar los resultados y asegurarse de que los electrodos de prueba están

fuera de las “esferas de influencia” de los demás electrodos se realiza una

nueva medición colocando el electrodo de voltaje, Y, P2 o S (dependiendo del

fabricante), un metro hacia el electrodo bajo prueba o el electrodo de

corriente. Si el valor de la resistencia permanece constante, las distancias entre

los electrodos es suficiente. Si el valor de la resistencia varía

considerablemente (30%), la distancia entre los electrodos debe ser aumentada

y se repite el proceso hasta que el valor de la resistencia permanece constante

al reubicar el electrodo de potencial y repetir la medición.

Algunos equipos disponen de un sistema de control automático de frecuencia

que selecciona la frecuencia de prueba con la menor cantidad de ruido y evita

que las corrientes de tierra y sus armónicos afecten la medición.

Variante del método selectivo con el uso de pinza

Una variante del método selectivo con el uso de pinza amperimétrica. Para ello

utiliza el método de la caída de potencial y un equipo de medición de puesta a

tierra que disponga de pinza capaz de medir en el rango de los microamperios.

Este procedimiento, como se ha mencionado antes, se utilizará cuando la tierra

en estudio está en paralelo con otro sistema de puesta a tierra. De estar aislada

la puesta a tierra bajo estudio no hace falta utilizar este método; bastaría el

método e caída de potencial.

En este método se instala el equipo para realizar una medición bajo el método

de caída de potencial y se obtiene una primera medición. Después se coloca el

amperímetro en dos lugares: 1) Alrededor del cable del circuito de corriente del

equipo de medición que va hasta el electrodo bajo estudio y 2) en algún lugar

por encima de la tierra bajo estudio y en el cableado que va hacia la fuente (el

conductor que viene de la entrada). Este esquema se muestra en la Figura. Así

se conoce la corriente total que entra a todo el sistema de puesta a tierra y la

porción que pasa por la tierra de la entrada o suministro eléctrico.

Posteriormente se toma la lectura de resistencia del equipo. Por ley de ohm se

calcula la caída de potencial debido al suelo. La diferencia entre las dos

mediciones de corriente representa la corriente que pasa por la puesta a tierra

bajo estudio. Con esta corriente y el voltaje calculado se obtiene la resistencia

de la puesta a tierra bajo estudio.

Figura 17: Variante del Método Selectivo con el Uso de Pinza [9]

Ejemplo de cálculo de resistencia para un electrodo de tierra sin tener que desconectarlo: Si: La lectura de equipo bajo método de caída de potencial: 1,9 OHM (RT: Resistencia Total), Lectura de la pinza colocada alrededor del circuito de corriente que sale de C1: 9,00 mA (IT: Corriente Total) Se repite el procedimiento pero con la pinza alrededor del conductor de tierra que va a la entrada: 5mA (IE: Corriente de la entrada) Entonces, La caída de voltaje es: V = IT x RT = 0,009 x 1,9 = 0,017 V La corriente a través de la tierra bajo estudio es: IL = IT – IE = 9,00 – 5,00 = 4,00 mA Y la resistencia de la puesta a tierra bajo estudio: RL = V / IL = 0,017 / 0,004 = 4,25 OHM Este método es un poco más elaborado que el propuesto anteriormente, pero nos da igualmente el resultado buscado, así como una alternativa en caso de que no sea posible colocar el amperímetro o pinza por debajo de la conexión de los dos sistemas de puesta a tierra como lo exige el método previo.