DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA I. Definición de un pozo a tierra Se entiende como pozo a tierra a la conexión de un conductor eléctrico (electrodo) enterrado en el suelo con la finalidad de dispersar corrientes eléctricas y captar el potencial de referencia cero. Las cargas eléctricas pueden tener origen natural o atmosféricos como en el caso de los rayos o artificiales como los originados por las instalaciones eléctricas defectuosas, sobrecargas, cortocircuitos, fallas de aislamiento y las descargas estáticas. i. Potencial de referencia cero en la Tierra (suelo) Si se conecta un conductor con carga Q1 y potencial V1 a otro conductor, con carga Q2 y potencial V2, tendremos una distribución de cargas hasta que el potencial de ambos conductores sea el mismo (Fig. 1) Fig. 1 Potencial eléctrico entre dos conductores Al considerar la Tierra (el planeta) como una fuente infinita de carga o como un conductor esférico de capacidad infinita (r _ _) , el potencial de referencia de este gran conductor es cero cualquier conductor conectado a Tierra, tomará o cederá de él, las cargas necesarias para que el potencial de ambos sea igual. Al considerarse nulo el potencial del conductor Tierra, cualquier conductor conectado a Tierra su potencial es cero. Como la carga eléctrica q, aplicada en un medio de conductividad ó (o su inversa que es la resistividad ñ) y permitividad dieléctrica Ã¥0 pueden ser reemplazada por una inyección de corriente I utilizando la relación: CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 se obtiene de esta forma, la distribución del potencial eléctrico producido por una inyección puntual de corriente I en un medio de resistividad homogénea ñ II. Objetivo de la instalación de un pozo a tierra En la instalación de un pozo a tierra la conexión entre el electrodo desnudo en contacto directo con el suelo, permiten la conducción y dispersión de las corrientes eléctricas, para brindar seguridad eléctrica y asegurar el correcto funcionamiento de los aparatos conectados al circuito eléctrico. Con la instalación se tienen dos objetivos importantes: a. Evacuar y dispersar las corrientes eléctricas con mínima resistencia. b. Proveer a las masas eléctricas el potencial de referencia cero, debido a que la tierra se comporta como un conductor infinito de carga, que hace que su potencial eléctrico sea cero. (V=0). c. Eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en los materiales eléctricos utilizados. El sistema de protección está basado, principalmente, en no permitir la existencia de tensiones entre diferentes masas metálicas o entre éstas y el suelo, superiores a 24 V en viviendas y locales húmedos, o 50 V en locales secos. Estos valores son los máximos que puede soportar el cuerpo humano sin peligro de lesiones graves. Fig.2 Funcionamiento de una puesta a tierra CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 III. Diseño de una puesta a tierra Dependiendo de los artículos a proteger se debe de procurar que la resistencia del sistema sea el adecuado, pero como condiciones generales podemos precisar que un buen sistema de tierra además de tener un valor de resistencia bajo, debe de tener continuidad entre sus elementos, debe de precisar poco o ningún mantenimiento y debe de ser capaz de poder garantizar su funcionamiento eficaz por mucho tiempo. Condiciones a tener en cuenta al diseñar un sistema de puesta a tierra Además de las condiciones generales mencionadas en el párrafo anterior se deben de tener en cuenta otros detalles como: Una ubicación adecuada, esta no deberá de interferir con otras construcciones previas sean estos muros, tuberías subterráneas, instalaciones eléctricas a fin de evitar accidentes. Una medición de la resistividad del terreno hecha con un Telurómetro nos permitirá saber dónde estamos parados es decir de que está compuesto el suelo bajo nuestros pies, pues según la proporción de los componentes (arena, piedra, arcilla, humedad, temperatura, cantidad y tipo de sales minerales etc.) la dificultad de obtener buenos valores en un sistema a tierra variara desde sencillo hasta muy complicado. Cada terreno por tanto amerita un diseño en función de sus características a fin de obtener el sistema más eficiente y a la vez más económico para el cliente. Se recomienda hacer esta medición para poder decidir de forma acertada la profundidad a la que se deben ubicar los electrodos para ser mas eficientes. Tipos de instalaciones de puesta tierra según su diseño las puestas de tierra se dividen en verticales (llamados comúnmente pozos), horizontales (llamados comúnmente zanjas) y la combinación de ambos a los que se denomina mallas. El uso de uno a más de estos elementos interconectados son los que hacen que en conjunto el sistema llegue al valor adecuado. Fig.3 Representación esquemática de una puesta a tierra CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 i. Resistividad y resistencia del suelo Los parámetros de resistividad y resistencia, tienen significados diferentes. La resistividad eléctrica ñ del suelo describe la dificultad que encuentra la corriente a su paso por él. De igual manera se puede definir la conductividad ó como la facilidad que encuentra la corriente eléctrica para atravesarlo. La resistencia eléctrica viene determinada por la resistividad del suelo y su geometría [5]. Al considerar el suelo como un conductor rectilíneo y homogéneo de sección S y longitud L, su resistencia eléctrica y resistividad son: El suelo es una mezcla de rocas, gases, agua y otros materiales orgánicos e inorgánicos. Esta mezcla hace que la resistividad del suelo aparte de depender de su composición interna, dependa de otros factores externos como la temperatura, la humedad, el contenido de sales, etc., que pueden provocar que un mismo suelo presente resistividades diferentes con el tiempo (Tabla 3.1, 3.2 y 3.3). Variación de la resistividad con la temperatura Tabla 3.1: Terreno arcillo-arenoso con 15% de humedad Variación de la resistividad con la humedad Tabla 3.2: Terreno arcillo-arenoso a 10ºC] Variación de la resistividad con el contenido de sales Tabla 3.3: Terreno arcillo-arenoso con 15% de humedad a 10ºC Otro factor que influye más directamente sobre la resistividad, es el carácter geológico del terreno. En la Tabla 3.4 se indican los valores para los diferentes tipos de suelos, donde se ve que la resistividad del terreno puede tener valores muy distintos en función del tipo de terreno de que se trate (de 106 _-m a 0.1 _-m). CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 5 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 Tabla 3.4: Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes La mayoría de los terrenos, no son homogéneos, están formados por diversos estratos normalmente horizontales, y paralelos a la superficie del suelo. Debido a la estratificación del terreno, se obtiene una resistividad aparente ña, donde la dispersión de la corriente, en cada capa, se da de acuerdo a su resistividad. CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 6 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 ii. Selección e instalación del Electrodo El electrodo es el componente del sistema de puesta a tierra que está en contacto directo con el suelo y proporciona el medio para botar o recoger cualquier tipo de fuga de corriente a tierra. El electrodo debe tener buena conductividad eléctrica y no corroerse dentro del suelo; el más usado es el cobre electrolítico de pureza 99.9%. El electrodo puede tomar diversas formas: barras verticales, conductores horizontales, placas, etc. iii. Electrodo vertical en pozo Son las que más se aplican por el mínimo espacio que necesitan, se usa un electrodo simple tipo varilla de cobre (jabalina), siendo las medidas estándar, para su longitud L: 2.0, 2.5 y 3.0m , con un diámetro d: 0.025m y 0.013m (Fig 2.3), siendo su resistencia: iv. Electrodo horizontal en zanja Se aplican poco, se emplea un electrodo simple de cobre tipo platina o un conductor desnudo (Fig. 2.4), su resistencia es: IV. Construcción de un pozo a tierra Ejemplo de la construcción de un pozo a tierra con cemento conductivo. Un pozo a tierra con cemento conductivo se puede construir de modo horizontal o de modo vertical. i. Pozo vertical Realizar una excavación de un pozo de 80 cm. de diámetro por una profundidad de 2.60 metros. CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 7 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 Si se va a emplear un tubo plástico de 4” para realizar el relleno del contorno de la varilla de cobre se necesitará una bosla de 25 Kgs. de cemento conductivo. Si se va a emplear un tubo plástico de 6” se necesitará 2 bolsas de cemento conductivo de 25 Kg. cada una. Y por último si se usa un tubo PVC de 9” de diámetro, la necesidad de cemento conductivo crecerá a 3 bolsas de 25 Kg. Luego se corta un tramo de aproximadamente 30 cm tubo PVC de la dimensión que se elija (4”, 6”, 9”) Pasar por la varilla presentada al centro del pozo y deberá quedar a unos 20 cm. bajo el nivel del piso. Rellenar la tubería y luego rellenar los contornos externos al tubo, es decir del pozo con tierra de cultivo tamizada y mezclada con sal y bentonita. Subir el tubo un tramo de 25 cm. y repetir el procedimiento de llenado del tubo PVC con cemento conductivo, una vez lleno el segundo tramo vuelve a rellenar y compactar tierra a su alrededor en toda la amplitud de la excavación del pozo, repetir los pasos hasta llegar a dejar solo 20 cm. de varilla descubierta que servirá para colocar los conectores y los cables de la línea a tierra. Fig. 4 Pozo a tierra vertical CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 8 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 Fig.5 Instalación de un pozo a tierra ii. Pozo Horizontal Realizar un excavación tipo zanja de 50 cm. de ancho por una profundidad de 60 cm. y una longitud de 2.40 cm. En este caso se deberá doblar la varilla en L (es decir 90 grados) a una distancia de 40 cm. de la parte superior. Para un mejor entendimiento, la parte superior de la varilla es la que no acaba en punta. En este caso solo se necesitará compactar unos 10cm de tierra combinada con Sal y Bentonita. Sobre ese terreno se puede colocar un par de listones de 2.30 m de largo y unos 4 cm. de alto, luego echar una capa de cemento conductivo de unos 2 cm. de espesor y asentar sobre esa mezcla la varilla de cobre, dejando la parte doblada para que sobresalga por la caja de registro. Volver a vaciar unos 2 cm más de cemento conductivo sobre la varilla y la mezcla anterior haciendo una especie de sándwich con la varilla. Para la parte doblada en L y que sobresale por la caja de registro, emplear un corte de 20 cm de tubería PVC de 6” y colocarla teniendo cuidado que la varilla quede en el centro exacto, vaciar allí más cemento conductivo y antes que endurezca retirar el molde plástico. Esperar unos minutos que seque y tome fuerza y rellenar toda la zanja con la mezcla tamizada de tierra de cultivo, sal y bentonita bien mezcladas creando una mezcla uniforme. CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 9 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE POZOS A TIERRA 2014 Fig.6 Diagrama de un pozo a tierra horizontal CIRCUITOS E INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALES Página 10
