MATERIALES... TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. Roberto Ruelas

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [1.3] (250-26c), los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eléctricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de unión principal del sistema.

De acuerdo con la norma oficial mexicana [1.3] (250-8), el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que existan):

1. Tuberías de gas enterradas. Porque en los E.U. las compañías suministradoras de este fluido se opusieron a ello.

2. Electrodos de aluminio. Aunque en Europa se han utilizado, los comités del NEC [1.4] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos químicos que se le forman no son buenos conductores eléctricos.

Es importante hacer notar que en lugares donde existe congelamiento de la superficie, la profundidad de enterramiento es mayor a la que se menciona en los párrafos siguientes; o, en los cálculos debe considerarse como aislada la parte del sistema de tierras que puede estar en contacto con la tierra congelada.

Para que una tubería de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los siguientes requisitos:

La única desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional, de cualquiera de los tipos mencionados arriba.

Por otro lado, la American Water Works Association [8.5] está propugnando por eliminar las tuberías de agua como electrodos principales, debido a que con el uso cada vez mayor de equipos electrónicos, la corriente de fuga a tierra es en parte corriente continua, lo que provoca corrosión galvánica en las tuberías.

No confundir este tipo de electrodo, con el requerimiento, casi siempre olvidado, del artículo (250-80a) de la norma oficial mexicana [1.3], de conectar los sistemas interiores de tuberías para agua al puente de unión principal o a los electrodos de puesta a tierra, de acuerdo con la tabla 250-94 de la misma norma, con el fin de igualar potenciales en caso de una falla.

La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja.

Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de puesta a tierra de la norma [1.3](250-94) y, en caso de haber sellos formados por películas plásticas, se deben puentear éstos.

Los electrodos Ufer, se llaman de esa manera en memoria de un ingeniero de nombre Herb Ufer, quien estuvo a cargo de los laboratorios de los aseguradores (UL) en Los Ángeles de 1927 a 1953. Aparentemente él estuvo encargado de las pruebas de electrodos de puesta a tierra para arsenales en Arizona en 1942. Claramente, la tierra arenosa es el peor terreno para obtener una resistencia baja. Pero, los electrodos de concreto armado que él midió tuvieron una resistencia a tierra de 5 ohms o menos. En los sesentas, varios sitios en el oeste americano, entre ellos estaciones de ski en la sierra, fueron probados con electrodos Ufer, obteniéndose tan buenos resultados, que el National Electrical Code 1968 reconoció este tipo de electrodos.

Consisten en utilizar en las estructuras nuevas, el acero del concreto armado como electrodo principal, siempre y cuando la cimentación haya sido diseñada para este fin con los cables de tierra adecuados conectados a las varillas.

La NOM [1.3] (250-81c) dice que deben de constar de por lo menos de 6 metros de una o más varillas de acero desnudo o galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eléctricamente conductor, de no menos de 13 mm de diámetro, localizadas en y cerca del fondo de un cimiento o zapata y, empotradas al menos 50 mm en el concreto.

El concreto tiene una estructura química ligeramente alcalina e higroscópica. La combinación de estas características provee iones libres que permiten al concreto exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 ohm-m. Los electrodos de concreto tienen una resistencia a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un tamaño comparable, siempre que estén en contacto con suelos con resistividad de 50 ohm-m o menor [8.2].

Algunas pruebas indican que la resistencia típica a tierra de una base para columna de anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms, sin usar métodos especiales. De ahí que la resistencia efectiva de un edificio de estructura metálica con veintitantas columnas en paralelo es de menos de 5 ohms, siempre y cuando se asegure que la estructura esté conectada a las varillas. Para ello, se suelda por métodos de fusión un cable de acero a las varillas, mismo que se conectará a su respectiva columna.

En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosféricas en el sistema de tierras con electrodos de concreto, éstos deben complementarse con electrodos de otro tipo, para que las grandes corrientes debidas a esas descargas no causen ningún daño por fractura al evaporar muy rápidamente el agua presente en el concreto.

Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo, de sección transversal no menor al calibre 2 AWG (por resistencia mecánica) y de longitud no menor a 6 m enterrado a una profundidad de 800 mm y, que rodee al edificio o estructura.

Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una fábrica o un sitio de comunicaciones o de cómputo, para proveer un plano equipotencial para edificios y equipos.

Cuando no se dispone de alguno de los electrodos mencionados en el punto anterior, la norma oficial mexicana [1.3](250-83) dispone que se puedan usar uno o mas de los electrodos siguientes:

De acuerdo con la NOM [1.3](250-83c) los electrodos de varilla y tubo, no deben tener menos de 2,40 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 2,40 m de su longitud esté en contacto con la tierra. Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diámetro no inferior a 13 mm de diámetro, y las demás de por lo menos 16 mm. Las tuberías deben tener un diámetro no inferior a 19 mm, y si son de hierro, deben tener una protección contra corrosión en su superficie.

Hay que notar que la varilla de 5/8" comercial mide 14,7 mm de diámetro y que la varilla con protocolos de CFE 16 mm.

Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre (copperweld) de 10 milésimas dura un promedio de 35 años en un suelo promedio; si tiene un recubrimiento de 13 milésimas dura hasta 45 años. En cambio, una varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 años.

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.

Cuando la roca está a menos de 2,40 m, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos.

La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar nuevamente el agujero, aunque no se obtiene la compactación ni la baja resistencia de contacto de la varilla percutida.

donde:
p es la resistividad del terreno en ohm - m
L es el largo de la varilla en m
r es el radio de la varilla en m

Los electrodos de placa no deberán tener menos de 0,2 metros cuadrados de superficie en contacto con el suelo. Y las placas de acero o fierro deberán tener por lo menos 6,4 mm de espesor. Si son de material no ferroso deberán tener por lo menos 1,52 mm de espesor.

Las normas americanas MIL-STD-1542B, MIL-HDBK-419 y MIL-STD-188-124 no recomiendan el uso de los ademes de pozos para lograr una baja impedancia a tierra. Las normas mencionadas hacen énfasis en que los ademes presentan muy baja resistencia a tierra en c.d., pero, no reducen la impedancia en corriente alterna, y, mencionan que si los ademes metálicos son utilizados como parte del sistema de tierras, no deben ser los únicos elementos en contacto con el suelo.

En el caso de torres de radiodifusión, se emplean cables en configuración de estrella (radiales) para su puesta a tierra. Y, se ha encontrado más efectivo tener conectados los cables en un punto que tener múltiples anillos rodeando el sitio.

Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a 30 m de largo si el suelo es adecuado.

Los cables dispersan la energía de las descargas muy eficientemente. Como la corriente se divide en proporciones iguales en los cables radiales, entre más cables, menor corriente los circula. Y, una baja corriente es más fácil de disipar y tendrá menor impacto en la elevación del potencial de tierra del sistema.

En la tabla 10.1.1 se describe la resistencia a tierra (teórica) de estos electrodos en sus distintas configuraciones. Como se observa en ese documento, más de cuatro brazos no son recomendables.

En México, los electrodos para puesta a tierra de pararrayos más utilizados son los llamados rehiletes, que están formados por placas de cobre soldadas a una varilla del tipo copperweld. Su dimensión total es entre 0,80 y 1,20 m.

Por su corta longitud, en lugares donde el tiempo de secas es largo, no son apropiados porque en ese tiempo su resistencia a tierra puede ser fácilmente mayor a 10 ohm.

La norma oficial mexicana de instalaciones eléctricas requiere de un sistema enmallado de tierra con múltiples electrodos y conductores enterrados, cuando están involucradas tensiones y corrientes eléctricas muy altas, con el fin de minimizar los riesgos al personal en función de la tensión eléctrica de paso y de contacto [1.3](921-18)

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente varía de 0,30 a 1,0 m, colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno y preferentemente formando retículas cuadradas.

El cable que forma el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se encuentra el equipo eléctrico de la subestación o planta generadora. Con ello, se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el área y terminales cercanas [1.3](921-25).

En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente con soldadura exotérmica entre sí y en los puntos donde se conectan los equipos que pudieran presentar falla o, en las esquinas de la malla, los conductores deben conectarse a electrodos de varilla o tubo de 2,4 m de longitud mínima, clavados verticalmente.

Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras o equipo para facilitar la conexión a los mismos, ya que es una práctica común de ingeniería aterrizar a dos cables diferentes todos los equipos.

Los cables empleados en las mallas de tierra son de: acero, acero inoxidable, acero galvanizado, y cobre. Para evitar la corrosión galvánica en terrenos de baja resistividad, algunas compañías eléctricas desde el diseño utilizan en sus mallas de tierras, cable de cobre estañado para bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales.

El cobre aún es el material más utilizado porque tiene buena conductividad, es resistente a la corrosión y tiene un punto elevado de fusión (1083 C), y dentro de los cables de cobre, se prefiere en el orden por su baja resistencia: temple suave, temple semiduro, temple duro.

Pero cuando se considera el robo del cobre como el factor importante, compañías eléctricas y de telecomunicaciones han cambiado al cable de acero tipo Copperweld.

La NOM (250-84) permite para los sistemas con un electrodo único que conste de una varilla, tubería o placa, que no tiene una resistencia a tierra de 25 ohms o menos, que se complemente con electrodos adicionales de los tipos mencionados en 8.1 separados por lo menos una distancia de 1,83 m entre sí.

En la práctica, cuando la resistencia del electrodo único mencionado, excede del valor buscado, esa resistencia se puede reducir de dos siguientes maneras: mejorando el electrodo, o mejorando el terreno alrededor del electrodo.

Para los casos donde las capas superiores de la tierra son de arena y donde a gran profundidad se encuentra una capa de terreno húmedo, existen varillas que se acoplan unas a otras para lograr longitudes hasta de 15 m.

Por lo general, doblando el largo, se obtiene una reducción del 40% de resistencia a tierra.
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas, se controla el gradiente de potencial en la superficie.

Los electrodos de puesta a tierra de las subestaciones en c.d., son mucho más largos que los normalmente utilizados en corriente alterna. En la estación rectificadora de Rice Flats de la Bonneville Power Authority, se utilizan electrodos de 60 metros de largo, para evitar el fenómeno de electro-osmosis, manteniendo una densidad baja de corriente en toda la superficie del electrodo.

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistividad. Pero, las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra [1.1], porque cada varilla afecta la impedancia del circuito, por los efectos mutuos.

La NOM [1.3] (250-83) dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo, no debe ser menos de 1,8 m, aunque se recomienda que estén separadas más del largo de cualquiera de ellas.
Por ejemplo, dos varillas en paralelo a 3 metros de distancia ofrecen una resistencia del 60% de la resistencia a tierra de una sola de ellas. Pero, incrementando ese espaciamiento a 6 m, la reducción de la resistencia es del 50%.

Cuando se utilizan múltiples electrodos, la impedancia es mayor y cada electrodo adicional no contribuye con una reducción proporcional en la resistencia del circuito. Por ejemplo, dos varillas reducen la resistencia al 58% de una sola, mientras que 10 varillas apenas reducen ese valor al 10 %.

La resistencia neta para (n) varillas (Rn) está determinada por la resistencia de una sola varilla (R). Este es un valor aproximado que considera que las varillas están espaciadas por una distancia igual al diámetro del cilindro protector.

Y, representa el decaimiento de la capacitancia asociada con la propagación en la tierra.

Es de observar que, muchas varillas cortas tienden a ser más efectivas que unas cuantas largas. Ésto puede ser verificado al unir las ecuaciones de las resistencias individuales y las de grupo. Considere como ejemplo de ésto, un terreno de resistividad de 1000 ohm-m. Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohm. Dos varillas de 12,5 cm dan una resistencia de 210 ohm. Esto es, 2/3 de la resistencia.
Obviamente que esto supone que el terreno superficial es razonablemente conductor.

Cuando un sistema eléctrico se expande, la que se creía era una baja resistencia a tierra, se hace mala. Asimismo, el uso cada vez mayor de tuberías no metálicas y, la caída en el nivel de aguas freáticas en muchos lados, ha resultado en mayores resistencias a tierra de sistemas de electrodos que las de diseño.

Cuando la resistencia a tierra no es lo suficientemente baja, hay algunos métodos para bajarla.

En el punto 8.6 anterior, hemos visto que el utilizar varillas más largas y, el uso de muchas varillas en paralelo, baja la resistencia a tierra, pero, cuando lo anterior ya no es posible, se tiene que mejorar el terreno mismo mediante productos químicos. Pero, tiene el inconveniente de ser una solución costosa y que bajo ciertas circunstancias se requiere de mantenimiento.

El problema de lograr una resistencia baja en la roca así como en otros suelos de alta resistividad, está asociada con el material en contacto con el electrodo y la compactación que éste recibe al rellenar el agujero.

El relleno ideal debe compactarse fácilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico. La bentonita entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, o de compuestos químicos patentados (El peruano THOR GEL, el GEM de Erico, el GAP de Alta Conductividad 2000 S.A., GRAF de IPECSA, Cero-Ohm, Inte-France, etc.) cumple con esos requisitos.

La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita, un silicato de aluminio, y tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de hincharse hasta 13 veces su volumen seco [9.1]. Y tiene una resistividad de 2.5 ohm-m con humedad del 300%.

Aparte del relleno con alguno de los compuestos mencionados, existen otros métodos químicos más. En el primero, es el uso de un electrodo hueco relleno de una sustancia química que se diluirá con el tiempo en el terreno adyacente. Ver dibujo.

Este método es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos, pero es fácilmente demostrable que la resistencia a tierra obtenida, puede ser fácilmente obtenida de una manera más económica con electrodos múltiples.

La primera carga dura unos 2 o 3 años y, las posteriores aún más, por lo que el mantenimiento es menos frecuente con el tiempo.

Por último, se puede utilizar uno de los cementos puzolánicos de tipo grafítico conductores (EarthLink 101, Conducrete, San-Earth, etc.) de la siguiente manera: se cubre el cable del electrodo [4/0 AWG] colocado horizontalmente en una zanja de unos 60 a 75 cm de profundidad, con una capa de cemento seco de unos 5 cm de grueso y 50 a 60 cm de ancho. Con el tiempo, el cemento toma la humedad del suelo y endurece. Este método desarrollado en Japón en los 70s, tiene la ventaja que no requiere mantenimiento, es antirrobo, y por el tipo de material, no se corroen los cables con el tiempo. Y, se adapta perfectamente a los lugares donde la capa superficial es poco profunda y de alta resistividad. La resistencia a tierra promedio se puede calcular utilizando la página: www.sankosha-usa.com/calc4.asp, o con el formulario.

El perforar y usar explosivos para hacer grietas en suelos rocosos, como se utiliza para cimentar las torres de líneas de transmisión, se ha utilizado en China para mejorar la resistividad de un terreno de alta resistividad, utilizando un material de baja resistividad para rellenar las grietas [8.6]

Como resultado del mejoramiento del terreno se observa en las mediciones que la variación estacional de la resistencia de un electrodo es mucho menor a la que pudiera obtenerse en un terreno natural no mejorado.

Los conectores de conductores de puesta a tierra con los electrodos pueden ser del tipo de soldadura exotérmica, conectores a presión, abrazaderas u otros medios aprobados [1.3](250-115). Y no deben tener soldaduras con materiales de puntos de baja fusión (estaño, plomo, etc.) para evitar falsos contactos, ya que pierde características de seguridad la malla, si se llegara a abrir.

En nuestro país, se prefieren las conexiones exotérmicas [De marcas: Cadweld, Thermoweld, Ultraweld o Mexweld] para redes de tierras de subestaciones de alta potencia y para las redes utilizadas en sistemas de comunicaciones y cómputo.

La aplicación de la soldadura exotérmica a cables se la debemos al Dr. Charles Cadweld quien trabajaba como consultor para la compañía Electric Railway Improvement Company, conocida hoy por sus iniciales como ERICO, y fue usada originalmente para unir los cables de señal a los rieles de ferrocarriles. La compañía ERICO patentó el proceso y le llamó Cadweld en honor al doctor.

Para fabricar una conexión exotérmica no es necesaria una fuente de energía externa. Al encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reacción química, donde el óxido de cobre es reducido por el metal aluminio, produciendo cobre fundido a unos 1400 C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldándolos en la forma del molde de grafito, obteniendo una unión metálica sólida en unos 20 segundos. La mezcla adecuada de metal y polvo ignitor (llamada "carga") depende del tamaño de la cavidad del molde, la que los fabricantes han codificado por números que representan el peso de la mezcla: 32, 45, 65, 90, 115, 150, 200, 250 y 500. Es importante notar que una buena unión depende del ajuste del molde a los conductores, ya que hay que tomar en cuenta que los moldes de grafito en uso normal se van desgastando y solamente sirven para máximo unas 50 soldaduras.

Los conectores a presión a usarse en sistemas de puesta a tierra deben ser adecuados para el número y tipo de conductores. Además, deben de ser compatibles con los materiales de los conductores y los electrodos de puesta a tierra, y cuando se usen enterrados, deben ser del tipo apropiado [1.3](250-115) con la leyenda BURIED.

La sección [1.3](250-117) dice textualmente que "las abrazaderas u otros accesorios para puesta a tierra, deben estar aprobados para su uso general sin protección, o protegerse contra daño físico...con una cubierta protectora...", y la Sección 250-112 menciona que la conexión debe ser accesible, siempre que no esté en un electrodo hundido, empotrado o enterrado.

Pero en el caso de las subestaciones, la misma norma especifica que deben hacerse mediciones periódicas en los registros para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de diseño. Por ello, se recomienda dejar registros en los electrodos de varilla.

Aparte de los registros de fábrica, hechos de polietileno, que son de utilidad en zona de tránsito de persona donde el voltaje de paso es muy elevado,

se pueden construir esos registros empleando un tubo de albañal, lo que es mejor para la conductividad, con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.

El conductor del electrodo de puesta a tierra sin ningún empalme (Exc. empalmes irreversibles (250-81 Exc 1) puede llevarse a cualquiera de los electrodos disponibles del sistema de puesta a tierra y es dimensionado según el mayor calibre requerido para todos los electrodos disponibles de acuerdo con la tabla 250-94 de la NOM [1.3]. Excepto en el caso de un único electrodo del tipo varilla, o del tipo Ufer, donde se permite que el conductor del electrodo no sea mayor de calibre 6 AWG en cobre (250-94 Exc a y b) [1.3]

Este conductor, si es de calibre 4 AWG o mayor, no requiere de protección, excepto en casos donde esté expuesto a daño físico severo. En caso de ser calibre 6 AWG debe fijarse a la construcción o, debe correr por un tubo conduit. Y, los calibres menores, deben correr siempre por tuberías conduit. En el caso de las tuberías conduit, éstas deben ser eléctricamente continuas; esto es, deben estar conectadas a tierra en ambos extremos. Inclusive las que cubren el cable de puesta a tierra de las acometidas residenciales.

Estos cables no deben ser de aluminio o de cobre con aluminio porque se corroen cuando están en en contacto con la tierra o con el cemento. Por ello, la norma mexicana de Instalaciones eléctricas sólo permite el uso de aluminio como conductor desde una altura mínima de 450 mm sobre el terreno natural [1.3] (250-92a).

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

8. Materiales de Puesta a Tierra