Red de puesta a tierra

SALESIANOS
MANUEL LORA
TAMAYO
RED DE PUESTA A TIERRA
Ciclo: Técnico en instalaciones eléctricas y automáticas | Autor: Arturo Solís Parra
Salesianos Manuel Lora Tamayo
Módulo: Instalaciones Eléctricas y Automáticas.
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Red de puesta a tierra. ....................................................................................................... 3
6.1
Introducción. ................................................................................................................ 3
6.2
Elementos de puesta a tierra........................................................................................ 3
6.2.1 Toma de tierra .......................................................................................................... 4
6.2.1.1 Electrodos .......................................................................................................... 4
6.2.1.2 Línea de enlace con tierra. ................................................................................. 6
6.2.1.3 Punto de puesta a tierra. .................................................................................... 6
6.2.1.4 Línea principal de tierra. ................................................................................... 6
6.3
Cálculo de puesta a tierra............................................................................................ 7
6.4
Disposiciones en conexión de tierra de edificios......................................................... 8
6.4.1 Tensión máxima admisible por el ser humano. ....................................................... 8
6.4.2 Condiciones para la instalación de tierra. ................................................................ 9
6.5
Disposiciones de conexión a tierra en centros de transformación. ............................. 9
6.5.1 Medidas a vigilar en la tierra de un CT.................................................................. 10
6.6
Medida de la resistencia de tierra. ............................................................................ 10
6.6.1 Método Voltiamperimétrico................................................................................... 11
6.6.2 Método de Resistencia del Bucle de Fallo. ............................................................ 11
6.7
Tecnicas especiales de unión de puesta a tierra........................................................ 12
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6 Red de puesta a tierra.
6.1 Introducción.
La puesta a tierra es un sistema de seguridad que se instala en las instalaciones eléctricas, para
evitar las descargas de origen estático o las derivaciones originadas por fallo en un conductor activo.
El efecto de tierra se basa en el principio que el potencial de tierra vale cero. Cuando aparece un
defecto el potencial en contacto con la línea de tierra hace circular la corriente al punto de menor
potencial, o sea a tierra.
Se define la puesta a tierra como:
− Unión eléctrica directa, sin fusibles ni protección alguna, de una parte del
circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo mediante
una toma de tierra con un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo.
El sistema de tierra debe procurar que las tensiones o diferencias de tensión en las partes no
activas de nuestra instalación estén por debajo de 24 voltios. Para ello se ejecuta un sistema en
paralelo con la instalación de enlace del edificio, encargada de derivar a tierra toda corriente de fuga,
derivación, sobretensiones debidas a rayos, etc.
En conexiones de neutro tipo TT, la red de tierra permite la circulación de corrientes de que
puedan aparecer en la instalación y si ésta se combina con la protección diferencial, asegura la
protección del las personas y animales contra contactos indirectos, cerrándose el circuito a través
de las masas metálicas de los aparatos y la puesta a neutro de los transformadores.
Por último, en la instalación de puesta a tierra se deben cumplir estas dos condiciones: La
puesta a tierra tiene que ser buena, refiriéndonos a que debe permitir la circulación de corrientes muy
elevadas, como las que aparecen en las descargas atmosféricas (rayos) del orden de 20 a 30 kA,
además ha de ser única, puesto que si se instala más de una red de tierra en un mismo edificio, y
debido a la variabilidad de la resistencia del terreno, pueden aparecer diferencias de potencial
peligrosas entre las distintas tomas.
6.2 Elementos de puesta a tierra.
Para realizar la configuración de la puesta a tierra y la selección de los elementos que forman
parte de ella se deben tener en cuentas las siguientes indicaciones:
•
El valor de la resistencia de puesta a tierra debe cumplir las normas de la ITC- BT-24 y las
demás normas particulares e instrucciones técnicas de las compañías suministradoras.
•
Las corrientes de defecto a tierra y las de fuga deben circular sin peligro.
•
La solidez y resistencia a los agentes debe ser tal que asegure el funcionamiento en las
condiciones más desfavorables.
•
Hay que tener en cuenta los posibles defectos de electrólisis que puedan afectar a las partes
metálicas de la instalación de tierra.
La instalación de puesta a tierra estará constituida por uno o varios
electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conectan dichos electrodos a los
elementos que deben quedar puestos a tierra 3
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6.2.1
Toma de tierra
Se define como toma de tierra al elemento metálico de unión entre el terreno y el circuito de
tierra. La toma de tierra se divide a su vez en cuatro elementos fundamentales:
•
•
•
•
6.2.1.1
Electrodos.
Línea de enlace con tierra.
Punto de puesta a tierra.
Línea principal de tierra.
Electrodos
Se define como electrodo a toda material conductor, generalmente metálico, en contacto
perfecto con el terreno, encargando de derivar a tierra todo defecto de origen atmosférico o debido a la
instalación eléctrica del edificio al que pertenece.
El electrodo utilizado deberá garantizar un buen valor de resistencia (siempre inferior a 20
ohmios) evitando los posibles efectos adversos que originen la presencia de hielo, la perdida de
humedad del suelo u otros efectos meteorológicos. Por ello se aconseja que electrodo sea enterrado a
una profundidad superior a 0,5 m.
Estos electrodos suelen estar construidos en cobre, hierro o acero galvanizado. Es muy común
la construcción de picas o planchas de acero con un recubrimiento de cobre, el acero garantiza una
mayor resistencia y la capa exterior de cobre mejora la conductividad entre red de tierra y terreno.
Podemos destacar los siguientes tipos de electrodos:
Placas.
Suelen ser electrodos de forma rectangular
que permiten una gran superficie de contacto con el
terreno. Suelen ser de cobre o hierro galvanizado y
su superficie será igual o superior a 0,5 m2. Los
más utilizados se presentan en tamaños de 0,5 x 1
m. o de 1 x 1 m.
En la imagen de la derecha se puede
apreciar la disposición de una placa conectada a
una caja de registro de puesta a tierra
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Picas.
Barras alargadas con longitudes variables (1; 1,5; 2 m.) siendo las más utilizadas las de 2
metros de longitud, que se clavan en el terreno verticalmente. Pueden estar fabricadas con distintos
materiales.
− Acero galvanizado (25mm diámetro mínimo)
− Perfiles de acero galvanizado (60mm de lado como mínimo)
− Barras de cobre o acero recubierto de cobre (19 mm mínimo)
Pueden utilizarse varias picas que se pueden conectar en dos disposiciones distintas.
En paralelo: una vez introducida una primera pica,
se mide su resistencia de paso a tierra. Con el valor
obtenido se calcula el número de picas que hay que
colocar en paralelo para que el valor de resistencia de paso
sea igual al que se ha prefijado. Las picas se sitúan a una
distancia de dos veces la longitud enterrada y se unen entre
sí mediante cable de cobre desnudo de 35 mm2. La unión
del cable a la pica se realiza mediante soldadura aluminotérmica o grapas de presión inoxidables.
En profundidad: Se introducen en el terreno una
pica detrás de otra hasta el número que sea necesario para
conseguir el valor de resistencia de paso que se desea.
Conductores enterrados.
Constan de cables o pletinas desnudas enterradas horizontalmente bajo la cimentación de los
edificios y en contacto con el terreno. Las más utilizadas son.
− Cables de cobre macizo o de hilos (35 mm2 como mínimo)
− Pletinas de cobre (35 mm2 de sección y 2 mm espesor como mínimo) o acero
galvanizado (95 mm2 sección)
− Alambre de acero de 20 mm2 se sección con una capa externa de cobre de 6 mm.
La profundidad a la que debe instalarse será de 0,8 m. con una tolerancia del ±10 % según la
NTE siendo necesario en el caso de instalación de cables en paralelo que ambos estén separados entre
sí como mínimo 5 m.
Las zanjas se rellenarán de materiales que retengan la humedad, como tierras arcillosas, tierra
vegetal etc. Nunca con guijarros, cascotes o materiales de desecho. Para mantener su continuidad, si
es necesario el conductor se podrá unir a otro tipo de electrodos, como por ejemplo la estructura
metálica de pilares y vigas del edificio, mediante soldadura de alto punto de fusión.
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6.2.1.2
Línea de enlace con tierra.
Es la parte de la instalación que une los electrodos, o conjunto de electrodos con los puntos de
puesta a tierra. Se utilizarán conductores desnudos o aislados de cobre, siguiendo la norma establecida
en el REBT.
Cuando aparezca una corriente de derivación a tierra, hay que evitar en el conductor una
temperatura próxima a la fusión. También debe protegerse contra este aumento brusco de la
temperatura los empalmes y conexión, todo ello para un fallo de dos segundos de tiempo y de acuerdo
con las protecciones de la instalación la sección mínima será de 25 mm2 en conductores de cobre y de
50 mm2 en conductores de hierro.
6.2.1.3
Punto de puesta a tierra.
Se denomina punto de puesta a tierra a las piezas y conexiones que situadas fuera del terreno
permiten la unión eléctrica entre la puesta a tierra y los conductores que forman parte del circuito de
protección. También se encarga de conectar los conductores que permiten unir entre sí varios
electrodos de puesta a tierra.
Estará constituido por un elemento que permita la conexión y desconexión de la toma de tierra
para poder aislarla de la instalación de protección del edificio, y de esta forma realizar la medición
correcta del valor de resistencia de tierra.
Normalmente los bornes de puesta a tierra se sitúan en los patios de luces de los edificios, cerca
de la centralización de contadores, en la base de la estructura metálica de los aparatos elevadores, y en
puntos situados en las proximidades de la caja general de protección.
Estos bornes se colocarán en el interior de arquetas donde aparezca claramente el indicativo de
punto de puesta a tierra mediante su símbolo normalizado.
6.2.1.4
Línea principal de tierra.
Es el conductor que conecta con el terminal del punto de puesta a tierra y conecta con las
derivaciones de las distintas partes que configuran la instalación de protección del edificio. Está
formado por un conductor de cobre de 16 mm2 como mínimo según lo indicado en la ITC-BT-18.
La línea principal de tierra podrá discurrir por las mismas canalizaciones que la línea general
de alimentación. Se procurará que el recorrido sea lo más corto posible y sin cambios bruscos de
dirección.
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6.3 Cálculo de puesta a tierra.
Se entiende como cálculo de puesta a tierra al procedimiento por el que se establece el número
de elementos (picas, placas o conductores) necesarios para que el valor de tensión de paso y de
contacto sea inferior a los valores que se recogen el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión.
Estas tensiones serán:
− 24 V en caso de locales húmedos y muy conductores.
− 50 V en el resto de los casos
Valor de resistencia de paso
Placas
𝑅 = 0,8
Picas
𝑅=
Conductores
enterrados
ρa resistividad aparente del terreno.
𝜌𝑎
𝑃
𝜌𝑎
𝐿
𝑅𝑇 =
𝑅=
2𝜌𝑎
𝐿
P perímetro de la placa.
ρa resistividad aparente del terreno.
𝑅1
𝑛
L longitud de la pica en metros.
R1 resistencia de paso en Ω para una
sola pica
ρa resistividad aparente del terreno.
L longitud de la pica en metros.
A título informativo los valores de resistencia de tierra para edificios que garantizan la
seguridad de las personas ante una corriente de defecto son los siguientes:
•
•
•
•
Edificios destinados a vivienda, 80 Ω máximo.
Edificios que disponen de pararrayos, 15 Ω máximo.
Instalaciones eléctricas de máxima seguridad de 2 a 5 Ω.
Instalaciones de ordenadores de 1 a 2 Ω.
Otro aspecto importante a conocer es la resistividad aparente del terreno. Esta va a variar en
función del sustrato del terreno en donde vamos a instalar nuestras picas.
La resistencia de tierra puede no permanecer constante en el tiempo ya que factores como un
estrato helado pueden hacer que el valor aumente en varios cientos y hasta miles de ohmios en
función de la capa de hielo. Otro factor que hace aumentar nuestra resistencia de tierra es la sequedad
del terreno variando también las medidas hasta el orden de miles de ohmios. Sin embargo un elevado
grado de salinidad en el terreno disminuye la resistencia de forma considerable.
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Existen en la actualidad varios tratamientos que permiten mejorar el valor de resistencia del
terreno en el caso de no poder obtener una buena tierra. Nos encontramos con tratamiento de sales,
esta se mezcla con la tierra del suelo que al diluirse con la humedad y la lluvia, hace que la resistencia
baje. Su duración es de un año aproximadamente. Otro método es la utilización de geles, compuestos
por dos sustancias que es arrastrado por el agua de lluvia, su duración es de seis a ocho años. Por
último se puede realizar un abono electrolítico a base de sulfato de calcio tratado, muy poco soluble,
pero con una alta conductividad. Este abono puede durar hasta 15 años.
6.4 Disposiciones en conexión de tierra de
edificios.
Cualquier instalación de puesta a tierra en edificio debe cumplir las siguientes prescripciones
que garantizan y salvaguardan la seguridad de las personas:
6.4.1
Tensión máxima admisible por el ser humano.
La instalación de puesta a tierra se diseñará de tal forma que no aparecerá una tensión máxima
de contacto aplicada de:
𝐾
𝑡𝑛
Siendo K=72 y n=1 para tiempos inferiores a 0,9 segundos.
𝑈𝑐𝑎 =
K=78,5 y n=0,18 para tiempos superiores a 0,9 e inferiores a 3 segundos.
Si bien es cierto que estas formulas son difíciles de concretar, por lo que se utilizaran los
valores de tensión de paso y de contacto que se desprenden de las siguientes fórmulas empíricas:
10𝐾
6𝜌𝑠
�1 +
�
𝑛
𝑡
1000
𝐾
1,5𝜌𝑠
𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒄𝒐𝒏𝒄𝒕𝒂𝒄𝒕𝒐 𝑈𝑐 = 𝑛 �1 +
�
𝑡
1000
𝑻𝒆𝒏𝒔𝒊ó𝒏 𝒅𝒆 𝒑𝒂𝒔𝒐 𝑈𝑝 =
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6.4.2
Condiciones para la instalación de tierra.
Se han de tener en cuenta una serie de factores a la hora de diseñar una red de tierra, sabiendo
previamente las tensiones máximas de paso y contacto que pueden aparecer en nuestra instalación. Se
seguirá el siguiente procedimiento:
− Investigar las características del suelo.
− Calcular las corrientes máximas a tierra y el tiempo máximo de eliminación del
defecto.
− Realiza un diseño preliminar de la instalación de tierra.
− Calcular la resistencia de tierra, las tensiones de paso y de contacto de la
instalación.
− Comprobar las tensiones de paso y contacto y compararlas con las obtenidas en
cálculo (deben ser menores)
− Investigar la posible transferencia de tensión al exterior por tuberías, rejas,
blindaje de cables… y estudiar su posible reducción o eliminación.
− Corregir el diseño inicial y establecer el definitivo.
En aquellas instalaciones que las medidas de resistencia estén por encima de las calculadas, o si
no podemos garantizar una tensión de paso y de contacto inferior al valor máximo calculado para
nuestra instalación se optará por la aplicación de medidas de seguridad adicionales que permitan el
funcionamiento de nuestra instalación dentro de los márgenes de seguridad para las personas.
•
•
•
Hacer inaccesible las zonas peligrosas.
Suelos o pavimentos aislantes, (también mandos y pasamanos, así como
conductores de tierra en su entrada al terreno)
Establecer superficies equipotenciales.
En las instalaciones de edificios se deben poner o conectar a tierra todas las partes metálicas
con riesgo de ponerse en tensión, esto es: chasis y bastidores de aparatos de maniobra, armarios
metálicos, puertas metálicas de locales, vallas y cercas metálicas, columnas, soportes, porticos,
blindajes metálicos de cables, tuberías y conductos metálicos, carcasas de transformadores, motores y
demás máquinas, aparatos elevadores, antenas.
6.5 Disposiciones de conexión a tierra en centros
de transformación.
En los centros de transformación es necesario aplicar unas condiciones de puesta a tierra
específicas que mejoran el funcionamiento de éste, tanto en los aparatos como en las personas.
Debemos destacar las siguientes condiciones:
Separación de la tierra de los neutros. Para evitar tensiones peligrosas producidas por fallos
en A.T. los neutros de B.T. se deberán conectar a tierra (conexión del secundario en estrella)
Aislamiento entre las instalaciones de tierra. Cuando se conectan los neutros de B.T. a una
tierra separada de la general del centro se deben cumplir estas prescripciones.
Deben ir aisladas entre sí para evitar las tensiones que pueden aparecer entre ambas.
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El conductor de conexión ente el neutro de B.T. del transformador y su electrodo de tierra ha
de quedar aislado dentro de la zona de influencia de la tierra general.
Las instalaciones de B.T. en el interior del C.T. deben tener, con respecto a tierra, un
aislamiento correspondiente a la tensión señalada en el primer punto.
En caso de que el aislamiento propio del equipo de B.T, alcance este valor, todos los elementos
conductores del mismo (canalizaciones, cuadros, carcasas de aparatos…) se conectarán a tierra general
del centro, uniendo solamente los neutros de B.T. a tierra separada.
Cuando el equipo de B.T. no presente el aislamiento indicado anteriormente, los elementos
conductores (canalizaciones, cuadros, carcasas de aparatos…) se montarán sobre aisladores con nivel
de aislamiento correspondiente a la tensión señalada en el primer punto. En este caso, dichos
elementos se conectarán a tierra del neutro de B.T., teniendo especial cuidado con las tensiones de
contacto que pudieran aparecer.
Las líneas de B.T. deben aislantes dentro de la zona de influencia de la tierra general teniendo
en cuenta las tensiones señaladas en el primer punto. Cuando las líneas de salida sean en cable aislado
con envolventes conductoras, deberá tenerse en cuenta la posible transferencia al exterior de tensiones
a través de dichas envolventes.
6.5.1
Medidas a vigilar en la tierra de un CT.
Se deben vigilar en un centro de transformación, a la luz de lo señalado en el apartado anterior,
los siguientes puntos en la instalación de tierra.
1) Las tensiones de paso y de contacto aplicada deben estar dentro de los límites
admisibles y deberán ser medidas con un voltímetro de resistencia interna de valor
1.000 Ω.
2) Cada electrodo de medida para simulación de los pies debe tener una superficie de 200
cm2 y debe ejercer una fuerza contra el suelo de 250 N.
3) Se deben emplear fuentes de alimentación de potencia adecuada pasa simular el
defecto, de forma que la corriente inyectada sea suficientemente alta, a fin de evitar que
las medidas queden falseadas como consecuencia de corrientes parásitas que circulen
por el terreno; se procurará que la corriente inyectada sea del orden del 1% de la
corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación, y en cualquier caso no
inferior a 50 A para centrales y subestaciones y 5 A para C.T.
4) Los cálculos tienen que hacerse suponiendo que existen proporcionalidad para
determinar las tensiones posibles máximas.
5) En instalaciones de tercera categoría que responden a configuraciones tipo, como
ocurre en la mayoría de los C.T., el órgano territorial competente puede admitir que se
omita la realización de las anteriores mediciones, sustituyéndolas por la correspondiente
a la resistencia de puesta a tierra.
6.6 Medida de la resistencia de tierra.
Para determinar la medida de resistencia del terreno existen varios métodos de cálculo, pero
estos siempre van ha depender del equipo que utilicemos para realizar ésta medida. En este apartado
veremos dos de los métodos más utilizados en la actualidad, pero siempre es aconsejable familiarizarse
con el equipo de medida que el operario posea y seguir estrictamente las indicaciones de empleo y
conservación de este.
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6.6.1
Método Voltiamperimétrico.
El método más empleado para la medida de resistencia de tierra es tambien denominado como
metodo de caida de tensión. En este método se utilizan dos pica auxiliares que se clavan a una
determinada distancia del punto de puesta a tierra. El método calcula la tensión entre la pica a medir y
la de referencia más cercana y la intensidad con la pica de referencia más alejada. Esta medida se
puede realizar con un voltimetro y un amperímetro pero en la práctica éstas medidas las realiza un solo
aparato, denominado Telurómetro.
El principio de funcionamiento del esquema de conexión es la ley de ohm donde se cumplirá
que:
6.6.2
𝑅𝑇 =
𝑈
𝐼
Método de Resistencia del Bucle de Fallo.
La UNE 29460-6 describe un método seguro y fácil para comprobar la resistencia de tierra
cuando, en un sistema TT, la ubicación de la instalación (p.ej. en ciudades) no permite clavar las picas
auxiliares. Este método consiste en medir la resistencia del bucle de fallo con un medidor de Bucle
que, en sistemas TT, permite en la práctica proporcionar el valor de la resistencia de tierra.
La impedancia total del bucle de fallo a tierra puede medirse conectando el medidor de bucle a
un enchufe. El valor de la impedancia del bucle de fallo a tierra medido representa la suma de la
resistencia de la bobina del transformador, conductor de la fase (L3) resistencia del conductor de
protección (PE) así como la resistencia del centro transformador y la resistencia de tierra de la
instalación. Seleccionando uno de los márgenes de IPCC (Intensidad probable de cortocircuito), es
posible también medir la intensidad de fallo a tierra.
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6.7 Tecnicas especiales de unión de puesta a
tierra.
En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión, en la norma ITC-BT-18 se especifican las
condiciones que deben cumplir las conexiones de los conductores que forma la red de puesta a tierra,
en especial lo referente a conexiones con masas y parte metálicas.
La reglamentación aconseja que las uniones presenten un buen contacto eléctrico. Para ello se
deberán utilizar piezas de unión adecuadas que ejerzan una conexión efectiva y en el que la presión
esté asegurada. Además se ha de garantizar durabilidad en estas conexiones, fundamentalmente porque
muchos de estos elementos se encontrarán enterrados o en lugares de difícil acceso para su revisión o
reparación.
Para alcanzar estos niveles de durabilidad y garantía de conexión en la actualiza se tiende a
realizar las conexiones mediante un tipo especial de soldadura denominada soldadura
aluminotérmica. Su utilización se ha generalizado gracias a su punto de fusión elevado, que garantiza
una unión firme, su buena conductividad eléctrica y su durabilidad y simplicidad de ejecución.
Su fundamento es la reacción química exotérmica que originamos con oxido de cobre aluminio
y una fuente de ignición según la siguiente ecuación:
3𝐶𝑢𝑂 + 2𝐴𝑙 = 3𝐶𝑢 + 𝐴𝑙2 𝑂3 + 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
El calor desprendido de la reacción hace que el cobre del conductor y la pica se fundan y el
Al2O3 sobrante, al tener menor densidad, queda en la parte superior de la soldadura.
El equipo de soldadura aluminotérmica está compuesto por un molde de grafito especial que
nos permite realizar la soldadura de forma contenida y segura, unas tenazas de soporte que permiten
mantener cerrado el molde y manipular con seguridad el material, los cartuchos y discos de reacción,
que contendrán los componentes necesarios para la reacción, la pistola de ignición necesaria para
comenzar la soldadura y los materiales de limpieza (cepillo metálico, brocha y rascador de moldes)
encargados de limpiar antes y después de la realización de la soldadura.
En la siguiente hoja se puede observar el procedimiento a seguir para la realización de este tipo
de soldadura de forma adecuada y segura.
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