Puesta a tierra de sistemas eléctricos

9 marzo 2012

Sección: Academia, Portada

El objetivo principal del sistema es brindar un punto de desacarga para las partes sin corriente.

El correcto funcionamiento de este tipo de protecciones garantiza seguridad a sus usuarios. Con los años,

debido a su importancia, se han ido mejorando. Existe una norma que las regula, pero eventualmente no se

cumple.

Por Antonia Tapia

En la actualidad, de diferentes formas, todas las personas nos vemos involucradas con la electricidad. En

nuestras casas u oficinas, estamos en constante relación con ella. Entender su comportamiento y aplicaciones

aporta conocimiento relevante. La puesta a tierra en sistemas eléctricos es una de las tantas formas de

protección existentes, ya que se puede orientar hacia la protección de equipos eléctricos, señales electrónicas o

protección atmosférica.

Puesta a tierra del neutro e instalación del puente de unión principal

El ingeniero contratista, Roberto Ruelas Gómez, afirma que la

puesta a tierra en sistemas eléctricos es sumamente necesaria,

ya que, primeramente, resguarda la seguridad de las personas

que están cerca de las instalaciones y, en segundo lugar, protege

sus posesiones.

De igual forma, los ingenieros José López Hernández y Aristeo

Navarro Damián agregan que también garantiza la correcta

operación de las protecciones de sobrecorriente, establece un

potencial de referencia y mejora la confiabilidad del servicio de

suministro eléctrico.

El origen de este tipo de protección se oficializó a principios del

siglo pasado. A partir de 1913, el National Electrical Code (NEC)

obligó a que los sistemas eléctricos con una tensión mayor a 150

volts, medidos de fase a tierra, fueran puestos a tierra.

La palabra en inglés “grounding” se tradujo al español como

“puesta a tierra” y la palabra “grounded”, como “puesto a tierra”.

Esta distinción es importante, ya que de allí deriva la función que

tiene cada una de ellas en un sistema eléctrico.

Dentro del sistema general de puesta a tierra existen otros subsistemas, como “puesta a tierra para la protección

frente a descargas atmosféricas eléctricas”, “puesta a tierra para la seguridad eléctrica” o también llamada

“Tierra del equipo” o “Tierra de seguridad”; “Tierra de alta frecuencia”, que no se rige por las mismas reglas de la

tierra de baja frecuencia; “Puesta a tierra para la protección frente a las interferencias electromagnéticas” (EMI,

por sus siglas en inglés), “frente a interferencias de radiofrecuencia” (RFI, por sus siglas en inglés) y “frente a

descargas electrostáticas” (ESD, por sus siglas en inglés), y “Puesta a tierra para instrumentación y controles”.

Actualmente, la tecnología de estado sólido, basada en electrónica moderna, sigue evolucionando y se hace

más sensible a los ruidos eléctricos y a la contaminación electromagnética, lo que precisa de un sistema de

puesta a tierra libre de ruidos y compatibilidad electromagnética de todos los equipos y sistemas.

La puesta a tierra se utiliza en cualquier tipo de instalaciones, sean éstas industriales, comerciales o

residenciales. Los objetivos de esta forma de protección consisten en habilitar la conexión a tierra en sistemas

con neutro a tierra, proporcionar el punto de descarga para las carcasas, armazón o instalaciones; asegurar que

las partes sin corriente, como armazones de los equipos, estén siempre a potencial de tierra, aun en el caso de

fallar en el aislamiento, y proporcionar un medio eficaz para descargar los alimentadores o equipos antes de

proceder en ellos a trabajos de mantenimiento.

El ingeniero Pablo Díaz subraya que la puesta a tierra eléctrica es la sección de mayor importancia de la norma

eléctrica en un sistema eléctrico de distribución; pero la más malinterpretada y malentendida, la menos conocida

y la que provoca mayores controversias: “sin mayores dudas, la sección más violada de los códigos eléctricos

nacionales”, asegura.

La puesta a tierra de sistemas eléctricos limita cualquier voltaje elevado que pueda resultar de rayos, fenómenos

de inducción o de contactos no intencionales con cables de voltajes más altos. Para ello se utiliza un conductor

apropiado que se conecta a la tierra.

Tipos de fallas en un sistema eléctrico

El funcionamiento normal de un sistema eléctrico desaparece después de ocurrir una falla eléctrica.

Ley de Ohm

La corriente eléctrica que circula en un circuito eléctrico es directamente

proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la

resistencia eléctrica.

I = V

R

I=Amperes

V=Volts

R=Resistencia

———————————————

Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra

universal”

Las fallas eléctricas llevan a un sistema eléctrico a condiciones anormales de operación, con voltajes y

corrientes elevadas en ciertos puntos del sistema. Dichas condiciones se pueden evitar utilizando diversos

equipos de protección.

Falla trifásica Falla entre dos fases Falla entre dos fases a tierra

Falla de tres fases a tierra Falla de fase a tierra Falla de fase a tierra a través de una impedancia

Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”

 

Objetivo de la puesta a tierra de un sistema eléctrico

A) Estabilizar el voltaje a tierra

B) Proveer un camino para que circule la corriente de falla a tierra, lo cual permitirá que los dispositivos de

protección contra sobrecorriente operen para liberar la falla

Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”

Cabe destacar que en este tipo de instalaciones es necesario estar al tanto de las características de la línea,

intensidad y tensión a la que la puesta será usada. También, es importante conocer el funcionamiento de los

electrodos en sus resistencias durante el paso de la corriente eléctrica.

Este tipo de protecciones es relevante para un correcto y mejor funcionamiento del sistema. Con ellas se limitan

los riesgos, se ahorra en costos y se asegura un mejor rendimiento.

Beneficios

En los últimos años, a este tipo de

protecciones se le ha dado cierta

importancia y gran prioridad debido a las

pérdidas millonarias que ocasiona la caída

total de un sistema, la cual genera daños

catastróficos en los equipos y accidentes

por miles, causados por choques

eléctricos en seres humanos.

En ese sentido, los ingenieros López y

Navarro destacan que una de las

principales ventajas que ofrece este tipo

de protección es brindar seguridad al

personal de instalación, en particular, y al

público en general.

Por otro lado, al evitar fallas se ahorra presupuesto. Al respecto, el ingeniero Ruelas ejemplifica: “Si un motor

eléctrico de una bomba de agua sufre una falla, de no ser por el cable de puesta a tierra, la tubería del agua

podría energizarse, poniendo en peligro a las personas; por otro lado, el motor sufriría un daño irreparable. Con

ese cable, el daño se reduce al conductor mismo donde se originó la falla; por lo que un buen taller podría

repararlo sin tener que rebobinar el motor”.

Por su parte, el ingeniero Díaz afirma que más del 70 por ciento de los problemas dentro de un sistema eléctrico

se deben a violaciones del Artículo 250, “Puesta a Tierra”, y a errores de cableado.

El Artículo 250 de la Norma Oficial Mexicana, NOM-001-SEDE-2005, destaca la importancia de ofrecer las

condiciones adecuadas de seguridad para las personas frente a los choques eléctricos, sobrecorrientes,

corrientes de falla, sobretensiones y todos los riegos que se puedan presentar en la utilización de la energía

eléctrica.

Según las estadísticas, la muerte por electrocución se encuentra en cuarto lugar entre las causas de accidentes

industriales mortales. “La mayoría de estos accidentes hubieran podido ser evitados con el conocimiento básico

de una puesta a tierra adecuada”, reflexiona Díaz.

Por otro lado, Ruelas agrega que es importante que las conexiones sean sólidas para que exista un buen

contacto y que las mismas se efectúen con conectores o tornillos. “No es válido hacer entorches con la mano”.

La protección de puesta a tierra limita los riesgos, permite ahorrar en gastos, asegurar un mejor rendimiento y

proporciona seguridad al personal y público en general

Elementos y evaluación. Respetar valores y adecuarse a las normas

Poner a tierra el neutro (PTN) es una conexión entre los neutros de transformadores y generadores, y la malla

general de puesta tierra. Estos puntos de conexión se ponen a tierra sólidamente o a través de una resistencia

baja o alta, una reactancia baja o alta, transformadores o autotransformadores.

Los elementos que se deben tener en cuenta al momento de efectuar el diseño de una puesta a tierra son el

área de la planta en la que se encuentra, los planos del sitio y la del sistema de tierra; pruebas de la resistividad

del terreno, medición del valor de resistencia de puesta a tierra y tamaño de los conductores.

 

Camino de la corriente en el cuerpo humano

De igual forma, es preciso determinar las tensiones de toque para los distintos sistemas, sean estos de baja,

media o alta tensión. También es importante precisar las configuraciones geométricas del sistema electrodo de

puesta a tierra, como malla de tierra, varillas, anillos de tierra, radiales o cualquier electrodo existente permitido

por la Norma.

El ingeniero Díaz puntualiza que es necesario respetar el valor de resistencia a tierra requerido por la Norma y la

industria, calculado durante el diseño y medido con un telurómetro de un sistema de tierra existente. Además,

considera relevante determinar corrientes de falla para indicar el tamaño de los conductores de puesta a tierra y

tierra de seguridad, así como conocer el GPR o elevación de potencial de suelo, especialmente en sistemas de

media y alta tensión. En el mismo orden, indica que se deben realizar cálculos de tensiones (tensión de toque y

tensión de paso) para el diseño de una malla de tierra para una subestación. “Con el resultado de esos valores

se realiza el diseño preliminar de una malla de tierra”, explica.

Métodos de puesta a tierra en sistemas eléctricos

Obtención del sistema con neutro

Para su obtención se utilizan como fuente generadores o transformadores con los devanados conectados en la

estrella (Y).

1. Puesta a tierra sólidamente

Se refiere a la conexión del neutro del generador o del

transformador puesto directamente a tierra.

• Sistema sólidamente puesto a tierra

• Sistema puesto a tierra a través de una resistencia

2. Puesta a tierra con resistencia

En ella, el neutro es conectado a tierra por medio de

una resistencia. En este método las tensiones de fase

a tierra que existen durante una falla son casi iguales

que para un sistema no puesto a tierra, excepto para

los sobrevoltajes transitorios.

3. Reactancia de puesta a tierra

Un reactor es conectado entre el  sistema del neutro y

tierra.

• Sistema puesto a tierra a través de una reactancia

Esquina de un sistema en delta

Puesta a tierra de un sistema delta en la mitad de un devanado

4. Neutralizador de falla a tierra

Es un reactor conectado entre el neutro de un sistema

y tierra, y es seleccionado relativamente con un alto

valor de reactancia.

Cuando la corriente de falla a tierra que puede circular

en un sistema puesto a tierra está en función de la

reactancia del neutro, la magnitud de la corriente de

falla es muchas veces usada como criterio para

describir el grado de la puesta a tierra.

La puesta a tierra de sistemas que no utilizan el

neutro se realiza en los transformadores conectados

en delta que no proveen acceso al sistema del neutro.

5. Autotransformadores

Frecuentemente son utilizados en sistemas de

transmisión y distribución. Se usan para transformar el

voltaje. Reducen el costo del transformador o evitan la

creación de un nuevo sistema de puesta a tierra.

• Autotransformador alimentado por un sistema puesto

a tierra

• Transformador estrella-estrella puesto a tierra

6. Trasformadores estrella-estrella

Esta configuración del transformador es utilizada en

sistemas de distribución de utilización sólidamente

puestos a tierra. También y con particular atención, en

sistemas no puestos a tierra para prevenir la

ferrosonancia cuando los interruptores de suministro

pueden ser operados por un polo al mismo tiempo.

Cálculo y evaluación

En primer lugar, una puesta a tierra requiere exploraciones geológicas para determinar la resistividad del

terreno. “Existen más de 45 parámetros importantes para la determinación de la resistividad o conductividad del

terreno, algunos de carácter químico, mecánico, eléctrico, electrónico, iónico… y sería necesario el dominio de

disciplinas como geología, geoquímica, geofísica, petrografía, minerología, magnetometría, litogeoquímica,

petrografía metamórfica, lo cual inhabilita a cualquier persona para ser experto en puesta a tierra”, sostiene el

ingeniero Díaz.

Este valor de resistividad del terreno es necesario para la aplicación no sólo de ecuaciones complejas para el

diseño de un sistema de puesta a tierra, que a cierto nivel requieren la asistencia de un programa

computacional, sino para las ecuaciones prácticas/empíricas que han sido desarrolladas para obtener una idea

preliminar de la resistencia a tierra de la configuración bajo consideración.

Estándares como IEEE 80, por ejemplo, ofrecen 200 páginas y 90 ecuaciones para el diseño de una malla de

tierra para una subestación. En ese sentido, los ingenieros López y Navarro indican que el rendimiento de una

malla general de puesta a tierra se evalúa en función del valor de su resistencia.

Díaz complementa que la puesta a tierra del sistema eléctrico es la que se efectúa en las acometidas y tiene que

ver con el tamaño del conductor y con la tabla que aparece en 250-94 de la NOM-001-SEDE-2005.

Propiedades de los conductores de puesta a tierra

Exceder el valor térmico de los conductores tiene los siguientes efectos:

A ) Incrementa la temperatura del conductor y, por consiguiente, empezará a modificar las propiedades de su

aislamiento en caso que el conductor de puesta a tierra se instale con aislamiento. Si se instala sin aislamiento,

puede dañar a los conductores adyacentes cuando transporta la corriente de falla a tierra

B ) Puede fundir el conductor de puesta a tierra, creando con ello una instalación eléctrica peligrosa, debido a

que los dispositivos de protección contra sobrecorriente no operarían y no liberarían a tierra

Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”

“Es importante, una vez diseñado el sistema y después de su instalación, realizar la medición de resistencia a

tierra del sistema electrodo de tierra. Este valor debe adherirse tanto a la norma eléctrica, como a los

requerimientos de la industria. Generalmente, la norma exige un valor de resistencia a tierra igual o menor a 25

ohmios para electrodos fabricados, pero usualmente la industria requiere cinco ohmios o menor, y un ohmio o

menor en áreas de alta incidencia de rayos”.

De igual forma, el ingeniero resalta que el valor de resistencia a tierra debe ser mantenido con periodicidad,

especialmente en épocas de sequía: “Es imperativo que se efectúen mediciones por lo menos cuatro veces al

año. La mayoría de los problemas en los sistemas eléctricos se deben a la falta de mantenimiento”, subraya.

“Es imperativo realizar mediciones, mínimo, cuatro veces por año. La mayoría de los problemas se deben a falta

de mantenimiento”

Cómo instalar un buen electrodo de puesta a tierra

Utilizar un electrodo de puesta a tierra largo dentro del terreno

• Resistencia contra profundidad del electrodo de puesta a tierra

Utilizar electrodos de puesta a tierra múltiples

• Electrodos de puesta a tierra en paralelo

Tratamiento del terreno

• Tratamiento químico del terreno

Fuente: Javier Oropeza Ángeles, “El libro de oro de puesta a tierra universal”

El valor de resistencia a tierra se determina con un telurómetro o terrómetro de tres terminales. La resistencia a

tierra se mide utilizando varios métodos aceptados por la industria, como el “Método del 62%” y el “Método de

Caída de Potencial”.

Evitar accidentes no tiene precio 

Como en cualquier tipo de instalación, trabajar con materiales de buena calidad, profesionales capacitados y

apegados a la norma no sólo garantiza la seguridad de los trabajadores, sino la de los usuarios. Escatimar en

presupuesto es un grave error que puede costar vidas.

“Desde el punto de vista de seguridad, estos sistemas no son costosos porque primeramente tendríamos que

contestar, ¿cuánto cuesta una vida humana o una quemadura?”, sentencia Ruelas.

Este tipo de sistema no implica grandes inversiones. En cualquier obra civil, ya sea la construcción de un

edificio, una planta industrial o una residencia, esta protección representa presupuestos poco significativos; sólo

se precisa de cableado, conectores y electrodos de puesta a tierra. No obstante, uno de los elementos más

costosos que presenta es el cobre.

“En ocasiones, a este sistema no se le da demasiada importancia. En muchos entornos residenciales,

comerciales o industriales, dichas obras las realizan los arquitectos. A esto se debe que se generen tantos

problemas. Estos proyectos deben ser diseñados y ejecutados por ingenieros electricistas”, remarca Díaz.

Ruelas distingue que en México este tipo de protecciones es constante en el sector industrial; sin embargo,

López y Navarro explican que muchas veces se encuentran en malas condiciones y no se les da el

mantenimiento que precisan.

Ruelas afirma que en las viviendas, por ejemplo, no es tan frecuente ver este tipo de sistemas y, además,

subraya que nadie supervisa esas instalaciones. “En nuestras casas, pesimamente queremos ahorrar en lo que

no se ve y es allí donde más debemos invertir. Por lo general, en ellas se desenvuelve nuestra vida, donde se

encuentra lo más preciado: nuestra familia. ¿No es irónico?”

“En general, la industria mantiene lo que califico como ‘filosofía forense’; es decir, sólo reaccionan a la muerte de

una persona o equipo valioso”

Ing. Pablo Díaz

Debilidades y cambios necesarios

Tanto contratistas como capacitadores destacan que entre sus mayores problemáticas se encuentra la poca

profesionalización, el desconocimiento y el poco o nulo respeto por las normas.

Ruelas afirma que dentro del sector existe una competencia desleal de quienes lucran con la seguridad de las

personas: “En el gremio existen contratistas que por ganar contratos no colocan los conductores adecuados”.

Díaz, basado en su experiencia como capacitador, sostiene: “como instructor en puesta a tierra a nivel

internacional, una de las preguntas que siempre hago al auditorio es ¿cuántos de ustedes han leído la norma

eléctrica relacionada con la puesta a tierra? La respuesta constantemente es la misma: sólo unas cuantas

personas levantan la mano. Es casi imposible creer que la mayoría de los ingenieros, técnicos y electricistas no

conocen las reglas de su industria”.

López y Navarro también coinciden en que existe poco conocimiento de las normas: “Suele haber una

interpretación errónea del tema y de sus conceptos. No existe demasiado conocimiento de las normas

nacionales y hay una gran ignorancia respecto de las internacionales”.

“En una auditoría de sitio, cuando examino los sistemas de puesta a tierra encuentro errores recurrentes: las

misma patologías y aplicaciones incorrectas de las normas y estándares de la industria”, afirma Díaz.

Para hacer eje en la concientización y capacitación, Ruelas sostiene que uno de los mayores retos radica en

educar a todas las personas en la seguridad eléctrica, en especial a los trabajadores del gremio.

Díaz destaca que la capacitación en puesta a tierra es sumamente valiosa y, virtualmente, es la inversión más

efectiva y de mayor beneficio para todas las empresas en cualquier ámbito industrial.

“Capacitar no sólo clarifica los mitos y abundantes malas interpretaciones: ofrece soluciones prácticas para la

seguridad personal, requerida por los códigos eléctricos nacionales, y aporta soluciones para la protección frente

a ruidos eléctricos de equipo electrónico sensible de alta tecnología”, concluye..