Conexión a tierra
Guía práctica para
pruebas de resistencia
a tierra
Conexión a tierra
Introducción
No hay nada tan común o abundante en todo el mundo como el suelo de la tierra.
Si bien es probable que piense en el suelo como algo que se labra para la siembra
o que se excava para crear las bases de un edificio, también tiene una propiedad
eléctrica, la conductividad (o baja resistencia), que se utiliza en la práctica a diario
en las plantas industriales y los servicios públicos.
En términos generales, la “resistencia a tierra” es la resistencia del suelo al paso
de la corriente eléctrica. En realidad, la tierra es un conductor de electricidad
relativamente deficiente en comparación con los conductores normales, como el
alambre de cobre. Sin embargo, si el área de un trayecto para la corriente es lo
suficientemente grande, la resistencia puede ser muy baja y la tierra puede ser un
buen conductor. Es la abundancia de la tierra y su disponibilidad lo que la hacen un
elemento indispensable de un sistema eléctrico que funcione correctamente.
La resistencia a tierra se mide de dos maneras en dos importantes campos de uso:
1. Determinar la eficacia de las redes y las conexiones de “tierra” que se utilizan
con los sistemas eléctricos para la protección del personal y los equipos.
2. Reconocer ubicaciones con buena “tierra” (baja resistencia) u obtener los valores
de medición de resistencia que pueden entregar información específica acerca de
lo que se encuentra a cierta distancia por debajo de la superficie terrestre (como la
profundidad hasta el lecho rocoso).
En este manual, no se pretende profundizar demasiado en la teoría ni en las
matemáticas con respecto al tema. Si le interesa obtener más información, en el
reverso de este folleto puede ver una lista de recursos adicionales que cubre esto en
más detalle. Más bien, “Conexión a tierra” está escrito en un formato simple y fácil
de entender para todos los usuarios de la industria.
Las pruebas que se abarcan en este manual se pueden llevar a cabo en sistemas
a tierra grandes y complejos, incluidos los sistemas a tierra de comunicaciones y
otros entornos en los que es difícil realizar pruebas. Las pruebas se realizan de
conformidad con las normas BS 7430 (puesta a tierra), BS-EN-62305 (protección
contra rayos) e IEEE 81.
Con base en años de experiencia en el suministro de instrumentos para las pruebas
implicadas, Megger puede proporcionar asesoramiento para ayudarlo a realizar
pruebas específicas. Si lo solicita, también nos gustaría que un representante lo
llame para discutir las preguntas específicas que tenga sobre la aplicación.
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Conexión a tierra
TABLA DE CONTENIDO
Introducción........................................................................................................ 1
Seguridad............................................................................................................. 5
SECCIÓN I
Resistencia a tierra.............................................................................................. 6
Cómo se mide la resistencia a tierra............................................................ 6
Ejemplo práctico del método de prueba..................................................... 8
El tipo de suelo afecta la resistividad........................................................... 9
La resistencia disminuye con la humedad y las sales disueltas................. 10
Efecto de la temperatura sobre la resistencia a tierra.............................. 12
Variaciones estacionales en la resistencia a tierra.................................... 12
Determinación de una buena ubicación para el electrodo...................... 14
SECCIÓN II
Medición de la resistencia a tierra para los sistemas eléctricos
de puesta a tierra.............................................................................................. 16
Factores que pueden cambiar la resistencia mínima a tierra................... 17
Algunas definiciones básicas...................................................................... 17
Factores que influyen en los requisitos para un buen sistema
de puesta a tierra........................................................................................ 19
Valores máximos del Código Eléctrico Nacional........................................ 21
Naturaleza de un electrodo de tierra........................................................ 21
Principios involucrados en las pruebas de resistencia a tierra.................. 23
Métodos de prueba básicos para la resistencia a tierra............................ 26
Efectos de diferentes ubicaciones de sondas de referencia..................... 30
Conexión y continuidad.............................................................................. 35
Cables de prueba......................................................................................... 36
Estacas temporales...................................................................................... 37
Pruebas complementarias........................................................................... 38
Cómo mejorar la resistencia a tierra.......................................................... 39
Métodos de prueba adicionales:
Método de pinza........................................................................................ 44
Ventajas de la prueba sin estacas........................................................ 47
Limitaciones de la prueba sin estacas................................................. 48
Pruebas de conexión a tierra en torres celulares............................... 49
Técnica del electrodo unido (ART)............................................................ 50
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Conexión a tierra
Método estrella delta................................................................................ 54
Determinación de la tensión de contacto y de paso................................ 57
SECCIÓN III
Medición precisa de la resistencia a tierra para sistemas de puesta
a tierra grandes................................................................................................. 59
Desafíos para realizar pruebas en sistemas de puesta
a tierra grandes........................................................................................... 59
Abordar los desafíos para realizar pruebas en sistemas de
puesta a tierra grandes............................................................................... 60
Medición de la resistencia de sistemas de electrodo de tierra grandes:
Método de intersección de curvas.............................................................. 62
Prueba en una subestación grande............................................................. 63
Comentarios generales................................................................................ 64
Método de la pendiente.............................................................................. 66
Método de medición a cuatro puntas........................................................ 69
APÉNDICE I
Guía de nomograma para obtener una resistencia a tierra aceptable.......... 72
APÉNDICE II
Gráfico de métodos de prueba de conexión a tierra...................................... 74
PROBADORES DE TIERRA DISPONIBLES DE MEGGER..................................... 76
ACCESORIOS PARA PRUEBAS DE CONEXIÓN A TIERRA DISPONIBLES DE
MEGGER............................................................................................................. 78
REFERENCIAS..................................................................................................... 79
RECURSOS ADICIONALES................................................................................. 80
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Seguridad
Hay un problema de seguridad inherente en las pruebas de resistencia
a tierra que requiere cuidado y planificación por parte del usuario del
conjunto de pruebas.
Existe la posibilidad de que una falla en el sistema eléctrico haga que una
alta corriente ingrese al sistema de tierra mientras se realiza la prueba.
Esto puede hacer que aparezcan altas tensiones inesperadas en las sondas
de corriente y tensión, y también en los terminales del conjunto de
pruebas.
La persona responsable de las pruebas debe evaluar este riesgo para
realizar las pruebas. Además, debe tener en cuenta la corriente de
falla disponible y las tensiones de paso y de contacto esperadas. La
norma IEEE 80, titulada “Guía de IEEE para la seguridad en la puesta a
tierra en subestaciones de CA” aclara totalmente este tema (otras normas
pueden prevalecer en el resto del mundo).
Recomendamos que el operador utilice guantes protectores de goma
(ANSI/ASTM D120 o equivalente) durante la manipulación de conexiones
y que utilice una alfombra de seguridad de goma (ANSI/ASTM D178 o
equivalente) durante el uso del conjunto de pruebas.
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Conexión a tierra
SECCIÓN I
Resistividad de tierra
El término “resistividad de tierra” expresado en ohmios-centímetros
(abreviado ohm-cm) es una de las variables básicas que afecta la resistencia
a tierra de un sistema de electrodos. Afortunadamente, no es necesario
medir el valor real de la resistencia a tierra para comprobar la resistencia a
tierra del electrodo. Consideremos, primero, otros campos en los que se
mide el valor de la resistividad, como también algunos de los factores que la
afectan, los cuales son de interés en las pruebas de tierra.
Las mediciones de resistividad de tierra se pueden usar convenientemente
para la prospección geofísica: para localizar yacimientos minerales, arcillas y
grava de formación acuífera debajo de la superficie de la tierra. La medición
también se puede utilizar para determinar la profundidad hasta el lecho
rocoso y el grosor del derrubio glacial.
Las mediciones de resistividad de tierra son útiles, además, para encontrar
la mejor ubicación y la profundidad para los electrodos de baja resistencia.
Dichos estudios se realizan, por ejemplo, cuando se está construyendo una
nueva unidad eléctrica, como una estación generadora, una subestación,
una torre de transmisión o una oficina central de telefonía.
Por último, la resistividad de tierra se puede utilizar para indicar el grado de
corrosión que se espera en las tuberías subterráneas de agua, petróleo, gas,
combustible, etc. En general, los lugares donde los valores de resistividad
son bajos tienden a aumentar la corrosión. Este mismo tipo de información
es una buena guía para instalar protección catódica.
Cómo se mide la resistividad de tierra
Para medir la resistividad de tierra, se utiliza un instrumento de cuatro
terminales, junto con cuatro electrodos de tamaño pequeño que se
ponen a la misma profundidad y a igual distancia en línea recta (fig. 1).
Cuatro cables conductores separados conectan los electrodos a los cuatro
terminales en el instrumento, como se muestra en la figura. De ahí proviene
el nombre de esta prueba: el método de cuatro terminales.
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Fig. 1: Método de cuatro terminales de medición de resistividad de tierra
El Dr. Frank Wenner de la Oficina de Normas de EE. UU. (ahora NIST)
desarrolló la teoría de esta prueba en 1915 [1]. Demostró que, si la
profundidad del electrodo (B) es pequeña en comparación con la distancia
entre los electrodos (A)1, se aplica la siguiente fórmula:
ρ = 2π AR
donde ρ es la resistividad promedio del suelo a la profundidad A en ohmcm, π es la constante 3,1416, A es la distancia entre los electrodos en cm y
R es la lectura en ohmios del probador de puesta a tierra de Megger.
En otras palabras, si la distancia A entre los electrodos es de 4 pies, se
obtiene la resistividad promedio de tierra a una profundidad de 4 pies de la
siguiente manera:
1.Convierta los 4 pies a centímetros para obtener A en la fórmula:
4 x 12 x 2,54 cm = 122 cm
2. Multiplique 2 π A para obtener una constante para una determinada
configuración de la prueba:
2 x 3,14 x 122 = 766
Por ejemplo, si la lectura del instrumento es de 60 Ω, la resistividad de tierra
sería de 60 x 766 o 45 960 ohm-cm.
Hay otros métodos de medición de la resistividad de tierra, como el método
de Schlumberger. Sin embargo, el método Wenner es el más popular en la
industria de la energía eléctrica.
1 Por lo general, se recomienda B = 1/20 A
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Conexión a tierra
Ejemplo práctico del método de prueba
Una empresa petrolera tenía un ducto de 10" y 6300 pies de largo que
pasaba a través de terrenos escabrosos [2]. Después de una fuga de
corrosión, querían comprobar la resistividad de tierra a lo largo de la
tubería. Es muy probable que los puntos con baja resistencia requieran
atención. Se utilizó un probador de puesta a tierra de Megger para hacer
un sondeo de toda la tubería.
Primero, se obtuvo la profundidad promedio del ducto en un mapa de
perfil. Era de 4 pies, por lo que se unieron cuatro electrodos separados por
4 pies con fuertes cuerdas de algodón. Se decidió comprobar la resistividad
de tierra cada 20 pies a lo largo de la tubería. En la figura 2, se muestra una
parte de los resultados; las lecturas del probador de puesta a tierra Megger
y de corrosión de la profundidad del pozo se representan con puntos a
lo largo de la tubería. Nótese que para lecturas de baja resistencia, se
encontró más corrosión.
Fig. 2: El sondeo de resistividad de tierra del ducto muestra dónde es más probable
que ocurra la corrosión [2].
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El tipo de suelo afecta la resistividad
Si, por ejemplo, un suelo es arcilla en su mayoría o muy arenoso, puede
cambiar significativamente la resistividad de tierra. No siempre es fácil
definir con exactitud qué hay en un suelo determinado, ya que la “arcilla”
puede abarcar una amplia gama de suelos. Por lo tanto, no podemos decir
que cualquier suelo dado tenga una resistividad de tantos ohmios-cm. Las
tablas I y II se tomaron de dos diferentes libros de referencia y muestran la
amplia gama de valores. Tenga en cuenta también la difusión de valores
para el mismo tipo general de suelo. Consulte también la figura 3.
REDUCCIÓN DE
48 OHMS
Fig. 3: Los electrodos de tierra más profundos reducen la resistencia. Estos gráficos
muestran la relación entre el carácter del suelo y la resistencia del electrodo
insertado a mayor profundidad.
Tabla I: Resistividades de diferentes suelos2
Resistividad (ohm-cm)
Suelo
Prom.
Mín.
Máx.
Rellenos: cenizas, carbonillas, desechos de salmuera
2370
590
7000
Arcilla: esquisto, gumbo, marga
4060
340
16 300
Equivalente: proporciones variables de arena/grava
15 800
1020
135 000
Grava, arena, piedras con poca arcilla/marga
94 000
59 000
458 000
2 Informe de la Oficina de Normas de EE. UU. 108
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La resistividad disminuye con la humedad y las sales disueltas
En el suelo, la conducción de corriente es mayoritariamente electrolítica. Por lo
tanto, la cantidad de humedad y de contenido de sal del suelo afectan radicalmente
su resistividad. La cantidad de agua en el suelo varía, naturalmente, con el clima,
la época del año, la naturaleza del subsuelo y la profundidad del nivel freático
permanente. La tabla IV muestra los efectos típicos del agua en el suelo. Tenga
en cuenta que cuando están secos, los dos tipos de suelo son buenos aisladores
(resistividades superiores a 1000 x 106 ohm-cm). Sin embargo, con un contenido
de humedad del 15 %, observe la dramática disminución de la resistividad (por un
factor de 100 000). En realidad, el agua pura tiene una resistividad infinitamente alta.
Las sales que se presentan naturalmente en la tierra, disueltas en el agua, bajan la
resistividad. Solo una pequeña cantidad de sal3 puede reducir bastante la resistividad
de la tierra (consulte la tabla IV). Como se señaló en la Sección I, este efecto puede
ser útil para proporcionar un buen electrodo de baja resistencia en lugar de un
costoso y elaborado sistema de electrodos.
Tabla II: Resistividades de diferentes suelos4
Suelo
Suelos superficiales, marga, etc.
Resistividad
ohm-cm (rango)
100 a 5000
Arcilla
200 a 10 000
Arena y grava
5000 a 100 000
Caliza de superficie
10 000 a 1 000 000
Esquistos
500 a 10 000
Arenisca
2000 a 200 000
Granitos, basaltos, etc.
100 000
Gneises descompuestos
5000 a 50 000
Pizarras, etc.
1000 a 10 000
3 Por “sal” no nos referimos al tipo que se utiliza para sazonar la comida (cloruro de sodio),
aunque esta puede presentarse en el suelo. Otros tipos incluyen el sulfato de cobre, el
carbonato de sodio, entre otros (consulte “Tratamiento de suelos”, Sección II, página 40).
4 Boletín Evershed & Vignoles 245
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Tabla III: Efecto del contenido de humedad sobre la resistividad de tierra5
Contenido de humedad,Resistividad (ohm-cm)
Porcentaje por peso
Suelo superficial Franco arenoso
0,0
1 000 x 106 1 000 x 106
2,5
250 000
150 000
5,0
165 000
43 000
10,0
53 000
22 000
15,0
21 000
13 000
20,0
12 000
10 000
30,0
10 000
8 000
Tabla IV: Efecto del contenido de sal sobre la resistividad de tierra6
Sal agregada
Porcentaje por peso de humedad
Resistividad (ohm-cm)
0,0
10 700
0,1
1800
1,0
460
5,0
190
10,0
130
20,0
100
5 De “An Investigation of Earthing Resistance” de P.J. Higgs, I.E.E. Journal, vol. 68, p. 736,
February 1930
6 Para superficie franco arenosa; contenido de humedad del 15 % por peso; temperatura
de 17 ºC (63 ºF)
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Efecto de la temperatura sobre la resistividad de tierra
No se ha obtenido mucha información relacionada con los efectos de
la temperatura. Dos hechos nos llevan a la conclusión lógica de que un
aumento en la temperatura disminuirá la resistividad: (1) el agua presente
en el suelo determina mayormente la resistividad, y (2) un aumento de la
temperatura disminuye notablemente la resistividad del agua. Los resultados
mostrados en la tabla V confirman esto. Observe que, cuando el agua del
suelo se congela, la resistividad aumenta considerablemente; el hielo tiene
una alta resistividad. La resistividad continúa aumentando a medida que las
temperaturas descienden por debajo del punto de congelación.
Tabla V: Efecto de la temperatura sobre la resistividad de tierra7
Temperatura
C
F
20
68
10
50
Resistividad (ohm-cm)
7 200
9,900
0 32 (agua)
13 800
0 32 (hielo)
30 000
-5
23
79 000
-15
14
330 000
Variaciones estacionales en la resistividad de tierra
Hemos visto los efectos de la temperatura, la humedad y el contenido de sal
en la resistividad de tierra. Por lo tanto, es lógico que la resistividad del suelo
varíe considerablemente en diferentes épocas del año. Esto es particularmente
cierto en los lugares donde hay más cambios extremos de temperatura,
precipitaciones, sequías y otras variaciones estacionales.
A partir del análisis anterior, puede ver que la resistividad de tierra es
una cantidad muy variable. Si desea saber cuál es el valor en un lugar
determinado, en una determinada época del año, la única manera de
saberlo con seguridad es realizar una medición. Cuando utiliza este valor
en un estudio topográfico, el cambio en el valor, que causan los cambios
en la naturaleza del subsuelo, es lo importante; a partir de la variación de la
resistividad, puede obtener resultados de sondeo útiles.
7 Para marga arenosa, humedad del 15,2 %
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Como se explica en la Sección II, la otra razón principal para medir la
resistividad de tierra consiste en diseñar sistemas de electrodos de tierra
para sistemas de energía eléctrica, pararrayos y otras aplicaciones similares.
Los valores de resistividad medidos se utilizan en las fórmulas de ingeniería
estándar que calculan factores, como el número y la profundidad de las
varillas, necesarios para lograr una resistencia a tierra obligatoria, lo que
disminuye la cantidad de prueba y error en la instalación de una conexión a
tierra eficaz. La resistencia a tierra varía directamente con la resistividad de
tierra y es útil saber qué factores afectan la resistividad.
Las curvas de la figura 4 ilustran varios puntos importantes. Muestran
el cambio esperado en la resistencia a tierra (debido a cambios de la
resistividad) durante un período de 1-1/2 año; también muestran que un
electrodo más profundo otorga un valor menor y más estable. Llegamos a la
conclusión de que el contenido de humedad y la temperatura del suelo son
más estables a mayores distancias por debajo de la superficie de la tierra.
Por lo tanto, el electrodo de tierra debe alcanzar un nivel lo suficientemente
profundo como para proporcionar lo siguiente:
■
■
Contenido de humedad permanente (relativamente hablando).
Temperatura constante (por debajo del punto de congelación; de nuevo,
relativamente hablando).
Fig. 4: Variación estacional de la resistencia a tierra con un electrodo de tubo de
3/4" en suelo de arcilla pedregoso. La profundidad del electrodo en la tierra es de
3 pies para la curva 1 y 10 pies para la curva 2 [3].
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Determinación de una buena ubicación para el electrodo
Un buen electrodo de tierra de baja resistencia depende del suelo de baja
resistividad en un punto donde pueda insertar sus electrodos. Existen dos
enfoques para elegir su ubicación:
1.Inserte varillas en distintos lugares a las profundidades que sean
necesarias y pruebe sus resistencias mientras se insertan.
2.Mida la resistividad de tierra antes de insertar las varillas de tierra. A
continuación, calcule el número y la longitud de las varillas requeridas.
Para obtener un electrodo de baja resistencia en una ubicación
desfavorable, disponga líneas rectas con 10 pies de separación, que cubran
toda el área. Ponga cuatro estacas con 10 pies de separación, pero no
más de 6 pulgadas de profundidad, a lo largo de una línea a-b-d-c, como
se muestra en la Figura 5. Mida la resistencia R entre las estacas b y c
utilizando el método descrito para la resistividad de tierra. A continuación,
cambie las estacas a lo largo de la línea en cuestión a los puntos b-c-d-e,
c-d-e-f, etc. (consulte la Figura 5) y realice la prueba hasta que haya cubierto
Fig. 5: Método de prospección para obtener la mejor ubicación de los electrodos de
tierra a una profundidad a. La ubicación que proporcione la lectura más baja en el
probador de puesta a tierra de Megger es la más deseable.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
toda la línea. A continuación, pase a la línea siguiente y repita el proceso
hasta que haya cubierto toda la zona elegida. La ubicación que tenga el
menor valor de R tiene la menor resistencia específica para el suelo a la
profundidad deseada de 10 pies. Es probable que ese punto le entregue el
mejor electrodo de tierra.
Si desea obtener resultados afectados por la resistividad de tierra promedio
a una profundidad de 20 pies, repita el sondeo en líneas con 20 pies de
separación y con estacas a 20 pies de distancia entre ellas. Estos sondeos no
requieren mucho tiempo y pueden ayudar a garantizar un buen sistema de
puesta a tierra.
Método alternativo: Otra forma es insertar varillas o tubos en distintos
lugares a las profundidades que puedan resultar factibles y probar su
resistencia mientras se insertan. De esta manera, normalmente se puede
saber de una vez cuando se alcanza la humedad u otra puesta a tierra de
buena conducción. Sin embargo, este método requiere más esfuerzo que el
primero.
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Conexión a tierra
SECCIÓN II
Medición de la resistencia a tierra para los sistemas
eléctricos de puesta a tierra
La idea más simple y algo engañosa de una buena tierra para un sistema
eléctrico es una sección de tubería de hierro insertada en la tierra con un
cable conductor conectado desde el tubo hacia el circuito eléctrico (Fig. 6).
Esto podría ser o no una ruta de baja resistencia apta para la corriente
eléctrica para proteger al personal y los equipos.
Fig. 6: Sistema de puesta a tierra simplificado en una planta industrial
No siempre es sencillo obtener un electrodo de tierra práctico que
proporcione una baja resistencia a tierra. Sin embargo, a partir de la
experiencia adquirida por otros, puede aprender cómo configurar un
sistema confiable y cómo comprobar el valor de la resistencia con una
exactitud razonable. Como verá, la resistividad de tierra (consulte la
Sección I) tiene una influencia importante sobre la resistencia del electrodo,
así como sobre la profundidad, el tamaño y la forma del electrodo.
Los principios y los métodos de prueba de resistencia a tierra contemplados
en esta sección se aplican a las instalaciones de pararrayos, así como a otros
sistemas que requieren conexiones a tierra de baja resistencia. Estas pruebas
se realizan en centrales de generación de energía eléctrica, sistemas de
distribución eléctrica, plantas industriales y sistemas de telecomunicaciones.
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Conexión a tierra
Factores que pueden cambiar la resistencia mínima de tierra
Más adelante analizaremos cuál es el valor de la resistencia a tierra que se
considera suficientemente bajo. Verá que no hay ninguna regla general
utilizable para todos los casos. Sin embargo, primero tenga en cuenta tres
factores que pueden cambiar los requisitos para los electrodos de tierra de un
año a otro:
■
■
■
■
Una planta u otra instalación eléctrica puede aumentar de tamaño.
Además, las nuevas plantas son cada vez más grandes. Estos cambios crean
diferentes necesidades para el electrodo de tierra. Lo que antiguamente era
una baja resistencia a tierra adecuada puede convertirse en una “norma”
obsoleta.
A medida que las instalaciones incorporan más equipos modernos delicados
controlados por computadora, aumentan los problemas del ruido eléctrico.
El ruido que no afectaría a los equipos más antiguos y básicos podría
generar problemas a diario en el equipo nuevo.
A medida que se instalan más tuberías y conductos no metálicos bajo tierra,
estas instalaciones se vuelven cada vez menos confiables y eficaces con
respecto a las conexiones a tierra de baja resistencia.
En muchos lugares, el nivel freático está disminuyendo gradualmente. En un
año más o menos, los sistemas de electrodos de tierra que anteriormente
eran eficaces pueden acabar en tierra seca de alta resistencia.
Estos factores subrayan la importancia de un programa continuo y
periódico de pruebas de resistencia a tierra. No basta con comprobar la
resistencia a tierra solo en el momento de la instalación.
Algunas definiciones básicas
Primero, vamos a definir nuestros términos. Ya en 1918, los términos tierra,
tierra permanente y conexiones a tierra se definían como “conexiones
eléctricas intencionalmente realizadas entre cuerpos eléctricos (o cuerpos
conductores cercanos a los circuitos eléctricos) y cuerpos metálicos en la
tierra, como varillas, tuberías de agua, placas o tubos emplazados” [4].
El cuerpo metálico en la tierra se suele referir a un electrodo, aunque
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Conexión a tierra
puede ser un sistema de tuberías de agua, tiras o placas enterradas o
cables. Tales combinaciones de cuerpos metálicos se denominan red. La
resistencia a tierra que nos concierne es la resistencia de la corriente del
electrodo que se encuentra en la tierra circundante.
Para considerar por qué la resistencia a tierra debe ser baja, solo necesita
utilizar la ley de Ohm: E = R x I donde E son los voltios; R, la resistencia en
ohmios; e I, la corriente en amperios. Suponga que tiene una alimentación
de 4000 V (2300 V a tierra) con una resistencia de 13 Ω (consulte la
Figura 7). Ahora, suponga que un cable expuesto en este sistema toca el
bastidor de un motor que está conectado a un sistema de tierra que tiene
una resistencia de 10 ohmios a tierra.
Según la ley de Ohm, habrá una corriente de 100 A8 a través de la falla
(desde el bastidor del motor a la tierra). Si llegase a tocar el bastidor del
motor y está conectado a tierra firmemente, (de pie en un charco), podría
sufrir una descarga de 1000 V (10 Ω x 100 A).
Como podrá observar en el punto 2 en lo siguiente, esto puede ser más
que suficiente para matarlo al instante. Sin embargo, si la resistencia a
tierra es inferior a 1 Ω, la descarga que recibiría sería de menos de 100 V
(1 x 100) y es probable que viva para corregir la falla.
El equipo también puede dañarse de forma similar por sobretensiones
provocadas por los sistemas de tierra de alta resistencia.
Fig. 7: Ejemplo de un circuito eléctrico con una resistencia a tierra demasiado alta
8 I = E/R = 2300/(10 + 13) = 100 amperios
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Conexión a tierra
Factores que influyen en los requisitos para un buen sistema
de puesta a tierra
En una planta industrial o cualquier otra instalación que requiera un
sistema de puesta a tierra, se deben considerar cuidadosamente uno o
más de los siguientes puntos (consulte la Figura 8):
1. Limitar a determinados valores la tensión a tierra de todo el sistema
eléctrico. El uso de un sistema de puesta a tierra adecuado puede hacer
esto si se mantiene algún punto del circuito en la tensión a tierra. Tal
sistema de puesta a tierra proporciona las siguientes ventajas:
■
■
■
■
Limita la tensión a la que se somete el aislamiento del sistema a tierra, por
lo que fija el aislamiento nominal de forma más definitiva.
Limita la tensión del sistema a tierra o del sistema al bastidor a valores
seguros para el personal.
Proporciona un sistema relativamente estable con un mínimo de
sobretensiones transitorias.
Permite que cualquier falla del sistema a tierra se aísle rápidamente.
2. Conexión correcta a tierra de armarios metálicos y estructuras de
Fig. 8: Condiciones comunes que se deben considerar en el sistema de tierra de una
planta
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Conexión a tierra
soporte que forman parte del sistema eléctrico y pueden estar en
contacto con el personal. Se incluyen también los dispositivos eléctricos
portátiles. Considere que solo una pequeña cantidad de corriente
eléctrica (apenas 0,1 A durante un segundo) puede ser fatal. Una
cantidad incluso menor puede hacerle perder el control muscular. Estas
corrientes bajas pueden presentarse en su cuerpo con voltajes tan bajos
como 100 V, si la piel está húmeda.
3. Protección contra la electricidad estática de la fricción. Junto con
esto, se encuentran los consiguientes riesgos de descarga, incendio
y explosión. Los objetos en movimiento que pueden ser aisladores
inherentes, tales como papel, textiles, correas eléctricas o correas
transportadoras y tejidos engomados, pueden desarrollar cargas
sorpresivamente altas, a menos que tengan una buena puesta a tierra.
4. Protección contra rayos directos. Las estructuras elevadas, tales como
las pilas, el edificio propiamente dicho y los tanques de agua, pueden
requerir pararrayos conectados al sistema de puesta a tierra.
5. Protección contra tensiones inducidas por rayos. Esto es un factor
con especial importancia si la distribución aérea de la alimentación
energética y los circuitos de comunicación están involucrados. Se
pueden necesitar pararrayos en ubicaciones estratégicas por toda la
planta.
6. Proporcionar buenas puestas a tierra para el control de procesos
eléctricos y los circuitos de comunicación. Con el incremento en el
uso de instrumentos de control industrial, computadoras y equipos
de comunicaciones, se debe considerar la accesibilidad a conexiones a
tierra de baja resistencia en muchas ubicaciones de la planta, ya sea en
las áreas de oficina y de producción.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Valores máximos del Código Eléctrico Nacional
El Código Eléctrico Nacional, Sección 250-56, establece que un solo
electrodo con una resistencia a tierra superior a 25 Ω se debe aumentar
con otro electrodo (otras normas pueden prevalecer en el resto del
mundo).
Recomendamos probar la puesta a tierra de un solo electrodo
cuando se instale y periódicamente después de la instalación.
La resistencia a tierra puede variar con los cambios en el clima y la
temperatura. Tales cambios pueden ser importantes. Un electrodo de
tierra que contaba con una buena resistencia (baja) en el momento de la
instalación puede no permanecer de esa manera; para estar seguro, debe
comprobarlo periódicamente.
No podemos decirle cuánto debe ser su resistencia a tierra máxima. Para
sistemas específicos en determinados lugares, a menudo se establecen
especificaciones. Algunos hablan de 5 Ω como máximo; otros no aceptan
más de 3 Ω. En algunos casos, se necesitan resistencias de tan solo una
pequeña fracción de un ohmio.
Naturaleza de un electrodo de tierra
La resistencia a la corriente a través de un electrodo de tierra tiene tres
componentes (Fig. 9):
1. La resistencia del electrodo en sí y las conexiones a este.
2. La resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo adyacente a este.
3. La resistencia de la tierra circundante.
Resistencia del electrodo: Generalmente, se utilizan varillas, tubos,
masas de metal, estructuras y otros dispositivos para las conexiones a
tierra. Estos son generalmente de tamaño o sección transversal suficiente
para que su resistencia sea una parte insignificante de la resistencia total.
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21
Conexión a tierra
Resistencia de contacto electrodo-tierra: Esto es mucho menos de lo
que podría pensar. Si el electrodo no tiene pintura ni grasa y la tierra está
firmemente compactada, la resistencia de contacto es insignificante. El
óxido tiene poco o ningún efecto en un electrodo de hierro; el óxido de
hierro se empapa fácilmente con agua y tiene menor resistencia que la
mayoría de los suelos. Pero si un tubo de hierro se oxida por completo, la
parte bajo la ruptura ya no funciona como parte del electrodo de tierra.
Fig. 9: Componentes de las resistencias de tierra en un electrodo de tierra
Resistencia de la tierra circundante: Un electrodo insertado en la tierra
de resistividad uniforme irradia corriente en todas las direcciones. Piense
que el electrodo está rodeado por capas de tierra, todas de igual grosor
(consulte la Figura 9).
La capa de tierra más cercana al electrodo tiene naturalmente la menor
área de superficie y ofrece la mayor resistencia. La próxima capa de
tierra tiene un área mayor y ofrece menos resistencia. Por último, se
alcanzará una distancia del electrodo en que la inclusión de capas de tierra
adicionales no aumentará significativamente la resistencia de la tierra
que rodea el electrodo. Este es el volumen crítico de suelo que determina
la eficacia del electrodo de tierra y que, por tanto, se debe medir
eficazmente para realizar esta determinación. Las pruebas de conexión
22
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
a tierra son distintas cuando se comparan con formas más tradicionales
de medición eléctrica, ya que es una medición volumétrica y no se puede
tratar como propiedad de un “punto”.
En general, la resistencia de la tierra circundante será la mayor de los tres
componentes que conforman la resistencia de una conexión a tierra. Los
diversos factores que pueden afectar este valor se analizan en la Sección II,
en Resistividad de tierra. En la Sección II, verá que la resistividad de la
tierra depende del material del suelo, la humedad y la temperatura. Está
lejos de ser un valor constante y predecible, ya que va generalmente de
500 a 50 000 ohm-cm9.
Principios involucrados en las pruebas de resistencia a tierra
La resistencia a tierra de cualquier sistema de electrodos se puede calcular,
en teoría, a partir de las fórmulas basadas en la fórmula general de
resistencia:
R=ρ L
A
donde ρ es la resistividad de la tierra en ohm-cm, L es la longitud de la
ruta conductora y A es el área transversal de la ruta. El Prof. H. B. Dwight,
del Instituto Tecnológico de Massachusetts, desarrolló fórmulas bastante
complejas para el cálculo de la resistencia a tierra para cualquier distancia
de diversos sistemas de electrodos [4]. Todas esas fórmulas se pueden
simplificar un poco si se basan en el supuesto de que la resistividad de la
tierra es uniforme en todo el volumen del suelo que se considera.
Debido a que las fórmulas son complicadas y la resistividad de tierra no
es ni uniforme ni constante, se necesita un método sencillo y directo para
la medición de la resistencia a tierra. Aquí es donde entramos nosotros
con nuestro probador de resistencia a tierra de Megger, un completo
instrumento portátil que es confiable y fácil de usar. Este equipo permite
verificar la resistencia del electrodo de tierra mientras se está instalando y,
mediante pruebas periódicas, observar los cambios con el tiempo.
Para entender el principio de las pruebas a tierra, considere el diagrama de
la Figura 10a. Tenga en cuenta nuestra observación anterior con referencia
9 Se define un ohmio-centímetro (abreviado ohm-cm) como la resistencia de un cubo de material (en
este caso, tierra) cuyos lados se miden en centímetros.
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23
Conexión a tierra
al diagrama de las capas de tierra en la Figura 9: con el aumento de la
distancia desde el electrodo, las capas de tierra tienen una mayor área de
superficie y, por lo tanto, una menor resistencia. Ahora, supongamos que
tiene tres varillas insertadas en la tierra a cierta distancia unas de otras y
una tensión aplicada, como se muestra en la Figura 10a. La corriente entre
las varillas 1 y 2 se mide con un amperímetro. La diferencia de potencial
(tensión) entre las varillas 1 y 3 se mide con un voltímetro.
Si la varilla 3 está ubicada en diversos puntos entre las varillas 1 y 2,
(a)
VARILLA 3
(P)
VARILLA 2
(C)
(b)
Fig. 10: Principio de una prueba de resistencia a tierra
24
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
preferentemente en una línea recta10, puede obtener una serie de lecturas
de tensión. Mediante la ley de Ohm (R = E/I), puede determinar la resistencia
a tierra en cualquier punto medido. Por ejemplo, si la tensión medida E entre
las varillas 1 y 3 es de 30 V y la corriente medida I es de 2 A, la resistencia de
la tierra R en ese punto sería de 15 Ω.
La serie de valores de resistencia se pueden graficar con respecto a la distancia
para obtener una curva (Fig. 10b). Tenga en cuenta que, a medida que la
varilla 3 se aleja de la varilla 1, los valores de resistencia aumentan, pero el
porcentaje de aumento disminuye gradualmente hasta alcanzar un punto
donde la tasa de aumento se hace tan pequeña que casi puede considerarse
constante (20 Ω en la Figura 10b). Las capas de tierra entre las dos varillas
(1 y 3) tienen una superficie tan grande que agregan poco a la resistencia
total. Más allá de este punto, a medida que la varilla 3 se acerca a las capas
de tierra de la varilla 2, la resistencia aumenta gradualmente. Cerca de la
varilla 2, los valores aumentan considerablemente.
Ahora, digamos que la varilla 1 es nuestro electrodo de tierra en el que se
realiza la prueba. A partir de una curva típica de tierra-resistencia, como la
de la Figura 10b, ¿cuál es la resistencia a tierra de esta varilla? Llamaremos a
la varilla 2 sonda de corriente-referencia C y a la varilla 3, sonda de tensiónreferencia P (simplemente para facilitar la identificación). Por lo general,
se obtiene la resistencia correcta si P (varilla 3) se coloca a una distancia
desde el centro de la varilla del electrodo de tierra (varilla 1) equivalente a
aproximadamente un 62 % de la distancia entre el electrodo de tierra y C
(varilla 2).
Por ejemplo, en la Figura 10b, la distancia D desde el electrodo de tierra hasta
C es de 100 pies. Si tomamos el 62 % de esta distancia, obtenemos 62 pies.
A partir de la Figura 10b, la resistencia de esta distancia es de 20 Ω. Esta es la
resistencia medida del electrodo de tierra.
Esta regla funciona bien para electrodos simples, como una varilla insertada.
También sirve para un pequeño grupo de varillas. Sin embargo, debe conocer
el centro eléctrico real del sistema de electrodos con bastante precisión.
Asimismo, la precisión de las lecturas es mejor si la resistividad de tierra entre
los tres electrodos es razonablemente constante. Por último, C debe estar lo
10 En realidad, la corriente puede existir en otras vías entre los dos electrodos fijos, de forma
que la varilla 3 podría ser (y quizás tenga que ser así) ubicada en otra posición que no sea en
una línea recta.
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25
Conexión a tierra
bastante lejos del sistema de electrodos de tierra, de manera que el 62 %
de distancia esté fuera de la “esfera de influencia” del electrodo de tierra
(consulte el análisis con referencia a las Figuras 14 y 15). Para la prueba,
se debe aislar el electrodo del sistema eléctrico que está protegiendo; de
lo contrario, se realizará la prueba en todo el sistema (dependiendo de las
prácticas locales), lo que puede incluir la tierra del poste, el punto muerto
del sistema y la tierra del transformador. Esto oscurece el efecto específico
de la tierra local.
A grandes rasgos, ahora tiene el principio de las pruebas de resistencia a
tierra. El resto es el perfeccionamiento: en los métodos de prueba, el uso
de electrodos o de sistemas de electrodos y la información acerca de la
resistividad de tierra, tal como se indica en secciones posteriores de este
manual.
Métodos de prueba básicos para la resistencia a tierra
El probador de puesta a tierra genera una señal de CA que ingresa al
sistema en el que se realiza la prueba. A continuación, el instrumento
verifica el estado de los circuitos para detectar las conexiones buenas y el
ruido. Si cualquiera de estas variables está fuera de la especificación, se
informa al operador. Una vez que se verifica que se cumplen las condiciones
de prueba, el instrumento automáticamente pasa por los rangos de
medición para encontrar la señal óptima que debe aplicar. El instrumento
calcula la resistencia del sistema con base en la medición del flujo de
corriente y la tensión generada, y la muestra en el rango de 0,001 a 20 000
ohmios, según el modelo escogido.
Existen tres métodos de prueba básicos, que se indican a continuación. Los
dos primeros se muestran como esquemas en las Figuras 11 y 12.
1. Método de caída de tensión o prueba de tres terminales.
2. Método de tierra muerta (prueba de dos puntos).
3. Método de prueba de pinza (consulte el Apéndice II, página 48).
Además, Megger ha desarrollado una versión de prueba de caída de
tensión en la que el operador no tiene que desconectar la varilla de tierra en
la que se realiza la prueba del sistema eléctrico. El método ART (del inglés,
técnica del electrodo unido) se abarcará más adelante en esta sección, en la
26
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
página 48.
Método de caída de tensión: Esta prueba de tres terminales es el método
descrito anteriormente con referencia a la Figura 10. Con un probador de
cuatro terminales, los terminales P1 y C1 en el instrumento se puentean
y conectan al electrodo de tierra en el que se realiza la prueba. Con un
instrumento de tres terminales, conecte X al electrodo de tierra.
A pesar de que se necesitan cuatro terminales para las mediciones de
Fig. 11: Prueba de resistencia a tierra de tres terminales o de caída de tensión
Fig. 12: Prueba de resistencia a tierra de dos puntos o de tierra muerta
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27
Conexión a tierra
resistividad, el uso de tres o de cuatro terminales es, en gran medida,
opcional para la prueba de la resistencia de un electrodo instalado. El uso
de tres terminales es más conveniente porque requiere que se conecte
solo un cable conductor. La desventaja es que la resistencia de este
conductor común se incluye en la medición. Por lo general, se puede
minimizar este efecto si se mantiene el conductor corto, para adaptarse a
los requerimientos simples de la prueba. De esta forma, la poca resistencia
adicional ingresada es insignificante. Sin embargo, si se realizan pruebas
más complejas o se cumplen requisitos más estrictos, puede que sea mejor
usar los cuatro terminales con un conductor desde el terminal P1 hasta el
electrodo de prueba (se conecta al interior del conductor desde C1). Esta es
una verdadera configuración de prueba de cuatro puntas que elimina de la
medición toda la resistencia del cable.
La exactitud agregada puede resultar importante para cumplir con las
especificaciones de resistencia muy baja o para usar los métodos de
prueba que requieren un dígito extra de medición a fin de satisfacer los
requisitos matemáticos. La decisión es opcional en función de los objetivos
de prueba del operador y el
método utilizado. La varilla
de referencia C insertada
debe colocarse tan lejos del
electrodo de tierra como
sea posible; esta distancia
puede verse limitada por
la longitud del cable de
extensión disponible o la
geografía de los alrededores
(consulte la Figura 11). Los
cables deben estar separados
y “serpentear”, no cerca unos
de otros ni paralelos entre sí,
para eliminar la inductancia
mutua.
A continuación, la varilla
de tensión-referencia P se
inserta en una cantidad de
28
Conexión a tierra
Uso típico de un probador digital de resistencia
a tierra de Megger, el DET4TC, para realizar las
pruebas de caída de tensión.
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Conexión a tierra
ubicaciones en una línea lo más recta posible entre el electrodo de tierra y C. Las
lecturas de resistencia se guardan para cada una de las ubicaciones. Luego, se
dibuja una curva que compara la resistencia frente a la distancia, como la de la
Figura 10b. La resistencia a tierra correcta se lee desde la curva para la distancia
que es de aproximadamente el 62 % de la distancia total desde el electrodo de
tierra a C. En otras palabras, si la distancia total es D, el 62 % de la distancia es
0,62D, por ejemplo, si D es de 120 pies, el valor de la distancia para la resistencia
a tierra es de 0,62 x 120 o 74 pies.
Hay tres tipos básicos de métodos de prueba de caída de tensión y un gran
número de métodos de prueba relacionados que se describen en los apéndices.
Los tipos de caída de tensión son los siguientes:
■
■
■
Caída de tensión completa: se realizan diversas pruebas en diferentes espacios
de P y se grafica la curva de resistencia.
aída de tensión simplificada: se realizan tres mediciones a distancias definidas
de P y se utilizan los cálculos matemáticos para determinar la resistencia (se
describe en detalle más adelante).
Regla del 61,8 %: se realiza una sola medición con P a una distancia del 61,8 %
(62 %) de la distancia entre el electrodo en el que se realiza la prueba y C.
Los métodos de prueba relacionados tienden a ser más complejos y sofisticados
y requieren muchas mediciones o muchos cálculos matemáticos. Estos métodos
se desarrollaron para ayudar a superar los problemas que se enfrentan al realizar
pruebas en sistemas de tierra grandes o cuando hay poco espacio. Esta es una
lista de dichos métodos:
■
Método de curvas de intersección (Sección III, página 62)
■
Método de la pendiente (Sección III, página 66)
■
Método de cuatro puntas (Sección III, página 69)
■
Método de estrella delta (Sección II, página 54)
Método de tierra muerta: Cuando se utiliza un instrumento de cuatro
terminales, los terminales P1 y C1 se conectan al electrodo de tierra en el que se
realiza la prueba, y los terminales P2 y C2 se conectan a un sistema de tuberías
de agua completamente metálico. Con un instrumento de tres terminales,
conecte X al electrodo de tierra, y P y C al sistema de tuberías (Fig. 12). Si el
sistema de agua es extenso (que cubre un área grande), su resistencia debería
ser solo una fracción de un ohmio. A continuación, puede tomar la lectura del
instrumento como si fuera la resistencia del electrodo en el que se realiza la
prueba.
El método de tierra muerta es la manera más simple de hacer una prueba de
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29
Conexión a tierra
resistencia a tierra. Con este método, se mide la resistencia de dos electrodos
en serie: la varilla insertada y el sistema de agua. Sin embargo, existen tres
limitaciones importantes:
1. El sistema de tuberías de agua debe ser lo suficientemente amplio como
para tener una resistencia insignificante.
2. El sistema de tuberías de agua debe ser metálico en su totalidad, sin
acoplamientos ni bridas aislantes.
3. El electrodo de tierra en el que se realiza la prueba debe estar lo
suficientemente lejos del sistema de tuberías de agua como para estar
fuera de su esfera de influencia.
En algunos lugares, el electrodo de tierra puede estar tan cerca del sistema de
tuberías de agua que no se puede separar la distancia necesaria para realizar
la medición mediante el método de dos terminales. Bajo estas circunstancias,
si las condiciones anteriores 1 y 2 se cumplen, puede conectarse al sistema
de tuberías de agua y obtener un electrodo de tierra adecuado. No obstante,
como precaución contra posibles cambios futuros en la resistencia del sistema
de tuberías de agua, también debe instalar un electrodo de tierra.
Debido a las diversas incertidumbres asociadas con este método de prueba,
debe considerarse un “último recurso”.
Efectos de diferentes ubicaciones de sondas de referencia
Ahora, puede preguntarse: si la ubicación adecuada para la sonda P es
siempre el 62 % de la distancia entre el electrodo de tierra y C, ¿por qué
molestarse en realizar todas las pruebas en otros lugares de P? ¿Por qué no
simplemente colocar P en el 62 % de distancia y suponer que la resistencia
medida es la resistencia a tierra correcta? Los siguientes puntos deberían
ayudarlo a responder estas preguntas.
Distancia mínima para C: Considere la Figura 13, que muestra las capas
de tierra alrededor del electrodo de tierra y la sonda de referencia C. En la
Figura 13a, C está tan cerca del electrodo de tierra que las capas de tierra se
sobreponen demasiado. Entonces, no se obtiene la nivelación de la resistencia
medida mientras P se aleja del electrodo de tierra; las capas de C se agregan a
las capas del electrodo de tierra, por lo que la resistencia sigue aumentando.
En la Figura 13b, C se coloca más lejos. Entonces, la resistencia medida se
30
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
estabiliza lo suficiente y, a la distancia del 62 %, es muy similar a la resistencia
a tierra real. La razón por la que C debe estar más lejos es para asegurarse
de que el valor del 62 % esté “en línea” con los demás valores de la curva.
El valor solo podría estar incorrecto (suponiendo que no hay errores de
medición) si las condiciones del suelo a la distancia del 62 % varían con
respecto a las condiciones en otros puntos, lo que provocaría cambios en la
resistencia a tierra. El suelo graduado alrededor de las construcciones o los
objetos enterrados, tales como tuberías, pueden causar dichas desviaciones
localizadas. Por lo tanto, lo ideal es que cuente con cierto grado de aplanado
o nivelación de la curva para que sea fácil notar esas variaciones. Asimismo,
recuerde que la resistencia aumentará de nuevo en el campo eléctrico de la
sonda de corriente, por lo que debe evitar hacer mediciones en esa área.
Considere el caso ilustrado en la Figura 14 como un ejemplo práctico de
Fig. 13: Efecto de la ubicación de C en la curva de resistencia a tierra
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31
Conexión a tierra
este efecto. Este muestra dos curvas de resistencia a tierra para dos lugares
de C. Se obtuvo la curva A cuando se puso C a 100 pies del electrodo de
tierra, y la curva B cuando se puso C a 700 pies de distancia. En la curva A se
observa que C estaba demasiado cerca del electrodo de tierra; en la curva B
se muestra la tendencia deseada hacia el nivelado de la resistencia medida.
En este caso, a la distancia del 62 % se obtienen valores de resistencia muy
similares debido a que la resistividad de tierra es bastante uniforme.
Prueba de caída de tensión simplificada: El mejor método de prueba
siempre es reunir la suficiente cantidad de información para graficar la curva
real de resistencia versus distancia. En el caso de que esto sea imposible,
se puede realizar una prueba simplificada, aunque se comprometa la
precisión. Este procedimiento es similar al que se detalla en el método de
caída de tensión, tal como se describe en la norma IEEE n.º 81 (consulte
las referencias), aunque la diferencia es que se comienza con P a mitad de
camino entre el electrodo de tierra y C.
Fig. 14: Ejemplo de cómo la ubicación de C afecta la curva de resistencia a tierra
32
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Esta lectura con P en el 50 % de la distancia entre el electrodo de tierra y
C se anota como R1. A continuación, se traslada la sonda de referencia P
a una ubicación en el 40 % de la distancia a C. La lectura en este punto
se anota como R2. Se realiza una tercera lectura, R3, con P a un 60 %
de la distancia. Se calcula el promedio de R1, R2 y R3 como RA. Puede
determinar la desviación máxima del promedio si calcula la diferencia
máxima entre las lecturas individuales y el promedio. Si este porcentaje
multiplicado por 1,2 tiene un resultado inferior a su prueba de precisión
deseada, se puede utilizar RA como el resultado de la prueba. Como
ejemplo de esta técnica, utilice los datos de la curva B en la Figura 14 tal
como se explica a continuación:
R1 = 58 ΩR2 = 55 Ω
R3 = 59 Ω
RA = 55 + 58 + 59 = 57,3 Ω
3
RA - R2 = 57,3 - 55 = 4,0 %
R
57,3
A
4,0 % x 1,2 = 4,8 %
Si la precisión deseada era de un 5 %, se podría utilizar 57 Ω (RA) como el
resultado. Si el resultado no está dentro de la precisión deseada, se debe
colocar la sonda C más lejos y repetir las pruebas. Este método brinda
una precisión suficiente, aunque siempre arroja valores más bajos de lo
esperado (consulte el siguiente análisis con referencia a la Tabla II).
Estas son algunas reglas generales sobre la separación de P y C: Para
realizar la prueba en un solo electrodo de tierra, se puede colocar C a
50 pies del electrodo en el que se realiza la prueba, con P a unos 31 pies
de distancia. Con una pequeña red de dos electrodos de tierra, se puede
colocar C a alrededor de 100 a 125 pies de distancia del electrodo en
el que se realiza la prueba, y P a alrededor de 62 a 78 pies de distancia.
Por ejemplo, si el sistema de electrodos de tierra es grande y consta de
varias varillas o placas en paralelo, se debe aumentar la distancia de C
posiblemente a 200 pies y P, a unos 125 pies. Necesitará una distancia
incluso mayor para los sistemas de electrodos complejos que cuenten con
un gran número de varillas o placas y otras estructuras metálicas, todas
unidas entre sí. Para un sistema de electrodos de tierra que cubre un área
grande, consulte la página 66 si desea ver técnicas adicionales.
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33
Conexión a tierra
La tabla VI es una guía útil para la ubicación de la sonda de referencia.
Puede calcular la cifra de la “Dimensión máxima” si toma la distancia
diagonal del área de su sistema de electrodos. Por ejemplo, si el área mide
100 por 100 pies, la diagonal equivale, aproximadamente, a 140 pies. En
la tabla, baje por la primera columna hasta 140 y lea hacia el lado. P debe
estar a 365 pies del electrodo y C, a 590 pies.
Tabla VI: Guía para la ubicación aproximada de las sondas de
referencia11,12
Dimensión
Distancia a
Distancia a
máxima, pies
P, pies
C, pies
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
40
60
80
90
100
105
120
125
130
140
200
240
280
310
340
365
400
420
440
70
100
125
140
160
170
190
200
210
220
320
390
450
500
550
590
640
680
710
11Con base en datos de “Earth Resistances”, G.F. Tagg, George Newnes Limited, London (1964).
12 Por ejemplo, la diagonal a lo largo de un área rodeada por un perímetro con conexión a tierra.
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Conexión a tierra
Conexión y continuidad
En ocasiones, la medición de la conexión y la continuidad se pasa por alto en
las pruebas de conexión a tierra y en el mantenimiento. Aunque normalmente
se centra la atención en el electrodo de conexión a tierra (“varilla de tierra”,
conexión a tierra), el National Electric Code® (NEC®) requiere que haya una ruta
continua de baja impedancia desde el equipo a suelo. El requisito se completa
con los conductores de conexión que van desde el marco muerto de los equipos
conectados a tierra hasta el electrodo o sistema de conexión a tierra, a menudo
mediante el bus de conexión a tierra puenteado. Para que el electrodo de
conexión a tierra funcione de manera eficaz, de algún modo se deben transportar
las corrientes de falla hasta él, y ese es el trabajo de los conductores de conexión.
Un método para realizar una comprobación de conexión a un conductor es
utilizar un probador de puesta a tierra para esta función vital. Para ello, se reduce
a una configuración de dos terminales y los mismos cables que se utilizan para
probar el electrodo a grandes distancias se pueden usar fácilmente en extremos
opuestos de un conductor de conexión a tierra como, por ejemplo, de un cabezal
de motor al bus de conexión a tierra. En los probadores antiguos, los terminales
tendrán que desviarse juntos mediante las barras de cortocircuito o con alguna
manera útil, por ejemplo, un sujetapapeles. Los cables van de los dos terminales de
corriente a los extremos opuestos del conductor que se está probando. Cuando
se realiza la medición, se hacen bucles en los cables y se miden por separado,
con este valor que se resta de la medición inicial como una tara. Los probadores
modernos tienen una posición de selector para pruebas de dos polos, por lo que
ya no es necesario instalar puentes en los terminales. La resistencia de los cables
se debe restar como una tara.
Las revisiones de continuidad, tal como se definen en las normas IEC, se realizan
con baja tensión y corriente, de unos pocos mA hasta una prueba bastante
sólida a 200 mA, con una precisión de hasta 10 mA. Revelan problemas en el
cableado, como conexiones deficientes o inexistentes, daños en la construcción
e instalación de los circuitos y cableado incorrecto en las cajas de empalmes. Para
una prueba más sensitiva de soldaduras y conexiones similares que pueden estar
sometidas a esfuerzos térmicos, eléctricos, físicos y de otro tipo, se necesita un
ohmímetro de baja resistencia con algo que esté aproximando a la corriente de
funcionamiento y que mida microohmios. Los ohmímetros de baja resistencia
usan una configuración de medición de 4 terminales que resta automáticamente
las resistencias de los cables. Por lo general, las pruebas eficaces de las conexiones
se realizan con un ohmímetro de baja resistencia.
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Conexión a tierra
Un instrumento de prueba final que puede ser útil en las pruebas de
mantenimiento es un probador de lazo. Esto combina algunas de las ventajas
de las pruebas de continuidad y baja resistencia. En lugar de colocar cables
largos, restar una tara o desenergizar la instalación, un probador de lazo se
enchufa en un tomacorriente o se conecta mediante cables cortos desde el
positivo al neutro o a tierra. El circuito se energiza y el probador de lazo tarda
solo dos medio ciclos, tiempo que no suficiente para activar los dispositivos
de protección, para medir toda la resistencia del circuito. Esto puede incluir el
conductor de conexión a tierra, el electrodo de conexión a tierra y la tierra en
paralelo al neutro de la red eléctrica conectado a tierra al transformador que
alimenta el sitio y, luego, regresa a través del positivo. Si se obtiene una lectura
sospechosamente alta, se deben inspeccionar los elementos individuales de la
ruta por separado. Si no se obtienen lecturas altas, el probador de lazo facilita
las pruebas y la aceptación rápidas del sitio.
Cables de prueba
Los manuales de instrucciones frecuentemente recomiendan cables
“serpenteantes” y otros consejos para evitar interferencias durante una prueba
de conexión a tierra. Los cables que se encuentran rígidamente paralelos y juntos
pueden desarrollar una interferencia o ruido inducido que influye en la lectura. Se
recomienda que los cables estén serpenteantes o mantenerlos bien separados.
Se debe evitar que los cables de prueba estén paralelos a la línea eléctrica aérea.
Estas líneas no solo pueden interferir, sino que pueden anular por completo una
prueba de conexión a tierra haciendo que la pantalla sea tan inestable que no se
pueda leer. Sin embargo, la tendencia natural durante una prueba de conexión
a tierra es mirar hacia abajo, en el instrumento de prueba y en el diseño. Lo
aéreo suele pasarse fácilmente por alto. Por lo tanto, asegúrese de cruzar la línea
eléctrica en ángulos rectos para evitar esta interferencia.
Si bien las interferencias aéreas son pronunciadas, puede que también haya
interferencias subterráneas. Esto tiende a ser menos grave y menos obvio.
Muchas corrientes viajan a través del suelo hacia el transformador desde el cual se
generaron. Con instrumentos de prueba más antiguos, quizás el operador tuvo
pocos recursos más allá de promediar las oscilaciones del puntero. Sin embargo,
los probadores modernos inyectan una señal de prueba de una frecuencia de
onda cuadrada distinta que se reconoce entre el ruido. Las funciones adicionales
mejoran la efectividad, incluido el ajuste de frecuencia (manual o automático), la
mejora de la relación señal a ruido y el filtro.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
En los casos en que se utilizan largas distancias de cableado, como la prueba
de redes de suministro grandes, puede haber carretes de cables. De hecho,
en entornos especialmente difíciles, como desiertos, los cables de prueba
pueden extenderse por kilómetros. Como era de esperar, los cables de los
carretes pueden introducir datos imprecisos a partir de la capacitancia y la
inductancia. O peor aún, esta incertidumbre puede hacer que la medición sea
menor que el valor verdadero, de modo que el operador termina con una falsa
sensación de que se “cumple con la especificación”. El grado de inexactitud
se puede evaluar mediante la medición con una resistencia conocida en una
configuración de 2 puntos con cables totalmente extendidos y luego con los
cables enrollados. Esto mostrará la influencia de los largos cables de prueba
enrollados en el probador. Solo los probadores de la más alta calidad pueden
continuar proporcionando lecturas precisas incluso con un kilómetro de cables
de prueba enrollados. En definitiva, para mediciones totalmente certeras,
desenrolle los cables y colóquelos serpenteantes.
Estacas temporales
Los últimos diseños de probadores de tierra digitales pueden funcionar con
resistencias muy altas de estacas temporales y aun así proporcionar resultados
confiables y precisos. Debido a que la corriente y la tensión se miden por
separado, se pueden realizar mediciones en el electrodo con resistencias de
estacas de prueba de hasta 400 kΩ.
La ventaja de que estos instrumentos toleren la resistencia de estacas tan
alta es, en general, que las pruebas se pueden realizar rápidamente en sitios
no urbanos, ya que no es necesario insertar los electrodos a demasiada
profundidad en la tierra. Sin embargo, en las zonas urbanas, las pruebas
se pueden realizar con elementos que se encuentran en las calles, como
señalizaciones, postes, cercas de metal y bolardos. Si esto no es posible, se
obtienen los resultados mediante la puesta de los electrodos temporales en un
poco de concreto húmedo. Las cadenas de metal enrolladas o las alfombrillas
antiestáticas metalizadas son incluso mejores electrodos si se vierte agua
sobre ellas, ya que se amoldan mejor a la superficie de la tierra que una
estaca rígida. Esta técnica ha llevado los valores de medición de la “estaca”
por debajo de los 10 kΩ, que se encuentra dentro del valor máximo que
provocará una falla en la lectura.
Con los instrumentos modernos, se indica cualquier problema con las
estacas temporales en la pantalla para mostrar que la lectura podría no ser
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Conexión a tierra
válida. Puede que sea necesario utilizar una posición más adecuada para la
estaca, como los espacios entre los adoquines, las grietas en el concreto o un
charco cercano. Si no aparecen los indicadores de advertencia, significa que se
ha hecho el contacto suficiente y que se puede realizar una prueba confiable.
Pruebas complementarias
Existen pruebas relacionadas que se pueden realizar para complementar la
información obtenida con la prueba de puesta a tierra y para aumentar la
protección que proporciona el electrodo de tierra. Una de ellas es una prueba
de continuidad para asegurarse de que esta es completa y adecuada en
todos los conductores de puesta a tierra y hasta el punto de contacto con el
electrodo. Se puede utilizar un probador de tres o cuatro terminales en una
configuración de dos terminales si se hace puente entre los pares apropiados.
Se pueden conectar los dos cables mediante un enlace, una soldadura, una
junta o una extensión del conductor y medir la resistencia. Sin embargo, un
probador de puesta a tierra solo proporciona una comprobación de respaldo
conveniente, no una prueba de continuidad rigurosa. Esto es por motivos
de seguridad, ya que se limita la corriente de prueba a valores que estén por
debajo de lo que pueda ser dañino para el cuerpo humano. No obstante,
una confirmación rigurosa y completa de un enlace debe poner énfasis en la
conexión a niveles de corriente que puedan poner en evidencia la corrosión,
las grietas, las conexiones sueltas y problemas similares. Por esta razón,
es preferible utilizar un ohmímetro de baja resistencia especializado con
capacidad de corriente de prueba de 10 A o más.
Para proteger al personal que realice una prueba de puesta a tierra, así como
para identificar la presencia de problemas eléctricos en el sistema, se puede
revisar primero el electrodo de tierra para detectar fallas de corriente. Es
frecuente que, en un sistema eléctrico con fallas o que no esté equilibrado,
el electrodo tenga fallas de corriente a tierra, más o menos constantes. Estas
fallas pueden ser de unos pocos miliamperios o de varios amperios y pueden
ocurrir sin que se las detecte. Un miliamperímetro de pinza con la suficiente
sensibilidad puede detectar el problema y proteger al personal que realizará la
prueba de una posible descarga en tan solo unos segundos.
Se puede medir la impedancia total del sistema de una sola vez si se utiliza
un probador de lazo. Este instrumento simula una falla entre un conductor
de fase y la tierra y, por lo tanto, mide la impedancia total de todo el
bucle de tierra, incluidos los conductores y la ruta de retorno de la tierra
hacia el transformador y su bobinado. Si alguno de estos elementos tiene
una resistencia demasiado alta, puede que los dispositivos protectores
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
no funcionen de forma correcta aunque el electrodo de tierra en sí se
mantenga a una resistencia lo suficientemente baja.
Cómo mejorar la resistencia a tierra
Si descubre que la resistencia del electrodo de tierra no es tan baja, existen
diversas formas de arreglar esto:
■ Poner el electrodo de tierra a mayor profundidad.
■
Usar varias varillas.
■
Tratar el suelo.
Efecto del tamaño de la varilla: Como se puede imaginar, insertar una
varilla más larga en la tierra disminuye considerablemente su resistencia. En
general, con el doble de longitud, la resistencia se reduce en un 40 %. En la
curva de la Figura 15 se observa este efecto. Por ejemplo, vea que la varilla
a 2 pies de profundidad tiene una resistencia de 88 Ω; la misma varilla, a
4 pies de profundidad, tiene una resistencia cercana a 50 Ω. Si usamos la
regla del 40 % de reducción, tenemos 88 x 0,4 = 35 Ω de reducción. Según
este cálculo, una varilla a 4 pies de profundidad tendría una resistencia de
88 a 35 o 53 Ω, lo que se acerca mucho a los valores de la curva.
Fig. 15: La resistencia a tierra disminuye con la profundidad del electrodo en la tierra [5]
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Conexión a tierra
También se podría pensar que si se aumenta el diámetro del electrodo,
se reduciría la resistencia. Se reduce, pero solo un poco. Para la misma
profundidad, duplicar el diámetro de la varilla reduce la resistencia solo en
un 10 %, aproximadamente. En la Figura 16 se muestra esta relación. Por
ejemplo, una varilla de 5/8" a 10 ft de profundidad tiene una resistencia
de 6,33 Ω; si se aumenta su diámetro a 1 1/4", la resistencia disminuye a
5,6 Ω. Es por esta razón que, en general, solo debe considerar aumentar el
diámetro de la varilla si debe insertarla en terrenos duros.
Uso de múltiples varillas: Dos varillas con un buen espacio entre sí
insertadas en la tierra proporcionan dos vías paralelas. De hecho, serían
dos resistencias en paralelo. La regla no aplica de la misma forma para dos
resistencias en paralelo, es decir, la resistencia resultante no es la mitad
de las resistencias de las varillas individuales (suponiendo que tengan el
mismo tamaño y profundidad). En realidad, la reducción para dos varillas de
resistencia iguales es de alrededor de un 40 %. Si se utilizan tres varillas, la
reducción es del 60 %; si se usan cuatro, del 66 % (consulte la Figura 17).
Cuando se utilizan varias varillas, estas deben estar separadas por una
distancia superior a la profundidad a la que están puestas. Hay razones
teóricas que sustentan esta afirmación, pero usted solo necesita consultar
las curvas como las de la Figura 18. Por ejemplo, si tiene dos varillas
paralelas con 10 pies de espaciado entre sí, la resistencia disminuye un
40 %, aproximadamente. Si se aumenta la separación en un 20 %, la
reducción es de alrededor del 50 %.
Tratamiento del suelo: El tratamiento químico del suelo es una buena
manera de mejorar la resistencia de los electrodos de tierra cuando no
puede insertar más a fondo las varillas de tierra debido a la dureza de la
roca subyacente, por ejemplo. Está más allá del alcance de este manual
recomendar el mejor tratamiento químico para todas las situaciones. Debe
considerar el posible efecto corrosivo sobre el electrodo, así como las
normativas medioambientales locales y de la EPA. El sulfato de magnesio,
el sulfato de cobre y la sal de roca ordinaria son materiales aptos no
corrosivos. El sulfato de magnesio es el menos corrosivo, pero la sal de roca
es más barata y cumple con su función si se aplica en una zanja cavada
alrededor del electrodo (consulte la Figura 19). Cabe señalar que los sulfatos
solubles afectan el concreto y se deberían mantener lejos de los cimientos
de los edificios. Otra estrategia frecuente es rellenar el espacio alrededor
del electrodo con un concreto conductor especializado. Varios de estos
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
productos, como la bentonita, están disponibles en el mercado.
El tratamiento químico no es una alternativa permanente para mejorar la
resistencia de su electrodo de tierra. La lluvia y el drenaje natural del suelo
van disolviendo los químicos de forma gradual. El período de reemplazo
varía de acuerdo con la porosidad del suelo y la cantidad de lluvia. Pueden
transcurrir varios años antes de que sea necesario realizar otro tratamiento.
El tratamiento químico también tiene la ventaja de reducir la variación
estacional de la resistencia que resulta de la humidificación y el secado
periódicos del suelo (consulte las curvas de la Figura 20). Sin embargo, solo
debe considerar este método cuando no sea práctico tener varios electrodos
o insertarlos a mucha profundidad.
Consulte el Apéndice I, en el cual se describe el uso de un nomograma
sobre la longitud y el diámetro de la varilla, y la resistividad de tierra a la
resistencia a tierra.
Fig. 16: El diámetro de la varilla tiene poco efecto sobre la resistencia a tierra
Curva A, de la referencia 19
Curva B, promedio de las pruebas de Underwriters Laboratories en Chicago
Curva C, promedio de las pruebas de Underwriters Laboratories en Pittsburgh
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Conexión a tierra
Fig. 17: Promedio de los resultados
obtenidos a partir de electrodos de tierra
con múltiples varillas13
Fig. 18: Comparativo de
resistencia de electrodos de tierra
con múltiples varillas.
La varilla simple equivale al
100 %14
13,14 Obtenido de “Practical Grounding Principles and Practices for Securing Safe Dependable
Grounds”, publicación de Copperweld Steel Co., Glassport, Pa.
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Conexión a tierra
Fig. 19: Método de trinchera para tratamiento del suelo15
Fig. 20: El tratamiento químico del suelo disminuye las variaciones estacionales en
la resistencia a tierra de los electrodos 16
15,16 Obtenido de “Practical Grounding Principles and Practices for Securing Safe Dependable
Grounds”, publicación de Copperweld Steel Co., Glassport, Pa.
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Conexión a tierra
Métodos de prueba adicionales: Método de pinza
El método de prueba de caída de tensión y sus modificaciones cumplen
con la norma IEEE 81. Es muy confiable, de alta precisión y se puede
utilizar para realizar pruebas en sistemas de puesta a tierra de cualquier
tamaño. Además, el operador tiene el control total de la configuración de
prueba y puede comprobar o confirmar sus resultados mediante pruebas
en diferentes espaciamientos de la sonda.
Lamentablemente, el método de caída de tensión también tiene varios
inconvenientes:
■
■
■
Lleva mucho tiempo realizarlo y requiere mucha mano de obra.
Se deben desconectar los electrodos de tierra individuales del sistema
para realizar las mediciones.
Hay situaciones en que no es posible desconectarlos.
El probador de puesta a tierra de pinza realiza una prueba “sin estacas”,
es decir, una prueba de resistencia a tierra que se realiza sin desconectar la
tierra. Con base en la ley de Ohm (R=V/I), la prueba sin estaca induce una
tensión conocida en un circuito de
bucle que incluye la tierra, mide
el flujo de corriente resultante y
calcula la resistencia de bucle del
circuito. Los probadores de tierra
de cuatro polos también realizan
pruebas sin estaca; sin embargo,
utilizan dos pinzas, una pinza de
tensión (pinza V) y una abrazadera
de corriente (pinza I), y mantienen
las pinzas separadas para evitar que
haya interacción entre ambas.
El operador debe tener la certeza de
que la tierra está incluida en el bucle
de retorno y estar consciente de
que el probador mide la resistencia Se muestra el DET14C Megger realizando
una medición en una estaca de tierra en
total de la ruta (resistencia de
una toma de tierra común.
bucle). Todos los elementos
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Fig. 21: Metodología básica de prueba de conexión a tierra con pinza
del bucle se miden en serie. El método se beneficia de la baja resistencia
de la ruta de retorno; es decir, donde la resistencia a tierra es grande en
comparación con la resistencia efectiva del bucle de retorno.
La figura 21 muestra la metodología básica de la prueba sin estacas. El
probador se fija con las pinzas sobre RX, donde se mide la tierra. Se mide
toda la corriente de prueba que pasa por la tierra (RX) y se divide entre
el resto de las resistencias en paralelo (R1 a Rn). En un sistema de puesta
a tierra múltiple, el circuito se puede considerar un bucle que consta del
electrodo de tierra individual, una ruta de retorno a través de todos los
demás electrodos y la masa de la tierra. El electrodo único tendrá una
mayor resistencia que el resto de las tierras conectadas en paralelo.
La figura 22 muestra un ejemplo práctico en el que el método de pinza
es muy eficaz debido a la baja resistencia de bucle de la ruta de retorno.
La aplicación es una tierra paralela interconectada, como una cadena de
iluminación. Es importante señalar que la tierra forma parte del bucle. La
medición de tierra a resistencia en R6 es:
Rbucle = Vbucle/Ibucle = R6 + (1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + 1/R5))
Para seis electrodos similares con una resistencia de 10 Ω, la resistencia de
bucle medida cuando se realiza la prueba de cada electrodo sería:
Rbucle = 10 Ω + 2 Ω = 12 Ω
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Conexión a tierra
Fig. 22: Aplicación de tierra del poste
Para sesenta electrodos similares con una resistencia de 10 Ω, la
resistencia de bucle medida cuando se realiza la prueba de cada electrodo
sería:
Rbucle = 10 Ω + 0.17 Ω = 10.17 Ω
Si uno de los seis electrodos tiene una resistencia de 100 Ω y el resto tiene
una resistencia de 10 Ω, la resistencia de bucle medida cuando se realiza
la prueba en el electrodo de alta resistencia sería:
Rbucle = 100 Ω + 2 Ω = 102 Ω
La resistencia de bucle medida cuando se realiza la prueba en cada uno de
los cinco otros electrodos sería:
Rbucle = 10 Ω + 2.4 Ω = 12.4 Ω
Mientras más retornos paralelos haya, menor será la resistencia de retorno
de bucle y, por lo tanto, más cerca estará el resultado a una prueba de
caída de tensión. Una tierra de alta resistencia entre muchos retornos de
baja resistencia se mostrará como una alta resistencia.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Es importante que el operador comprenda las limitaciones del método
de prueba sin estacas para que no abuse del instrumento y obtenga lecturas
erróneas o engañosas. Un probador de pinza es una herramienta importante
en la bolsa de un técnico de pruebas, y las tendencias de los resultados darán
un valor agregado con el paso del tiempo con respecto a la alerta temprana
de degradación de la resistencia a tierra.
Ventajas de la prueba sin estacas
La principal ventaja del método de pinza es que es rápido y fácil, ya que no
es necesario insertar sondas ni desconectar la varilla de tierra del sistema. Un
ejemplo del ahorro de tiempo es que permite medir un gran predio industrial
de puesta a tierra para protección contra rayos; realizar una prueba de caída
de tensión en cientos de puntos de tierra tardaría varios días. La misma
prueba realizada con un probador de pinza tardaría varias horas. También hay
ejemplos como la puesta a tierra de subestaciones o torres celulares en donde
la desconexión no es posible y la prueba sin estacas es lo único que se puede
hacer. El probador de pinza se puede utilizar para medir cualquier resistencia
de bucle y aplicación, como una placa de tierra en una estructura que cuente
con varios conductores de rayos conectados a ella, siempre y cuando el
usuario tenga en mente el hecho de que se mide la resistencia de bucle total.
Muchos probadores de pinza incluyen una medición de abrazadera de
corriente destinada a probar la corriente que ingresa a un bucle de tierra,
que va desde menos de 1 mA a 35 A de CA. Una medición de corriente es
una comprobación útil de seguridad y con ella se identifican las tierras que
no deberían desconectarse porque pueden generar chispas. Se debe realizar
una medición de corriente si se piensa que 50 Hz o 60 Hz (o cualquier otra
frecuencia de alimentación) interfieren en la lectura de resistencia a tierra de
la pinza.
Los probadores de pinza funcionan en frecuencias más altas (por lo general,
entre 1,5 kHz y 3,5 kHz) que los probadores de 2, 3 o 4 polos (48 Hz a
128 Hz) para reducir el tamaño del núcleo, lo que mejora el acceso a las
cintas y cables de tierra y disminuye el peso del probador. La desventaja es
que este enfoque es menos representativo de una falla en la frecuencia de
alimentación que las pruebas de conexión a tierra tradicionales, aunque las
altas frecuencias rechazan la reactancia inductiva, lo que es ventajoso para las
puestas a tierra de torres de transmisión, la iluminación y sitios similares.
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Conexión a tierra
Limitaciones de la prueba sin estacas
El probador de pinza solo es eficaz cuando hay múltiples tierras en paralelo.
No se puede utilizar en tierras aisladas, ya que no existe ninguna ruta de
retorno. Además, no se puede utilizar si hay un bucle alternativo de menor
resistencia que no incluye la tierra. Se recomienda realizar la prueba de
caída de tensión en las revisiones de una instalación o en la puesta en
funcionamiento de nuevas instalaciones. Se aplican las reglas generales de las
pruebas de conexión a tierra, por ejemplo, si otra parte del sistema de puesta
a tierra está en la “esfera de influencia” del electrodo en el que se realiza la
prueba, el resultado será inferior a la verdadera resistencia del electrodo.
Se necesita una ruta de retorno baja para las lecturas que se aproximan al
resultado de una prueba de caída de tensión en una determinada conexión
a tierra. Una ruta de retorno de resistencia alta generará lecturas altas. El
punto de sujeción del probador debe estar en la parte correcta del bucle del
electrodo en el que se realiza la prueba, ya que una mala conexión puede
ofrecer una lectura incorrecta. El operador debe conocer por completo el
sistema de puesta a tierra para saber exactamente qué es lo que se está
midiendo.
El método es susceptible al ruido de aparatos eléctricos cercanos, y los
instrumentos antiguos son menos eficaces para las tierras de baja resistencia.
Un último inconveniente del probador de puesta a tierra de pinza es que no
existe una prueba incorporada para el método sin desconexión y para realizar
una prueba de caída de tensión. Como se señaló anteriormente, un probador
de puesta a tierra de pinza no debe ser el único instrumento que se utilice en
una prueba de conexión a tierra. Sin embargo, es una parte importante del
kit de herramientas para pruebas de conexión a tierra, junto con el probador
de caída de tensión. Se puede utilizar el probador de pinza para identificar
problemas rápidamente. A continuación, se puede utilizar el probador de
caída de tensión para confirmar los resultados de dichos problemas. Este
enfoque, junto con los resultados de tendencias, permite al operador ser más
productivo y mejora la detección oportuna de posibles fallas.
Si bien la norma IEEE no “recomienda” la tecnología de pinza, la describe
y brinda las limitaciones de uso aceptable: “El método de pinza tiene varias
ventajas importantes, pero también muchas desventajas. Es importante que
el operador comprenda las limitaciones del método de prueba para que no
utilice mal el instrumento ni obtenga lecturas erróneas o engañosas”.17
17 Obtenido de la norma IEEE 81-2012
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Pruebas de conexión a tierra en torres celulares
Las torres de comunicación presentan un problema en que los probadores de
pinza funcionan bien si se usan correctamente, pero miden “cortocircuitos”
si no es así. El problema es que la torre funciona en todo momento y la
provisión de servicios prohíbe cortar la energía. En Estados Unidos, las empresas
de servicios eléctricos disponen, por lo general, de una tierra de servicio de
electricidad de baja impedancia conectada a tierra mediante un enlace suelotierra en el panel de distribución. El método sin estacas depende de tener una
ruta de retorno de baja resistencia en el bucle, así que este es un punto ideal
para que los probadores de pinza midan la resistencia a tierra. Debido a que
la tierra del servicio de electricidad es muy baja, la resistencia del bucle medida
en la conexión a tierra del panel de distribución hecha con el probador de
pinza estará muy cerca de la resistencia que arrojaría una medición de caída de
tensión. Observe aquí que una prueba de caída de tensión tendría en cuenta
el tamaño del sistema de puesta a tierra del sitio total y asegúrese de disponer
de cables con el largo suficiente para medir correctamente la resistencia a tierra
fuera de la esfera de influencia del sistema de puesta a tierra.
La Figura 23 es una aplicación en donde el método de pinza es a menudo mal
utilizado en las torres de comunicaciones. Este ejemplo ayuda a mostrar por
qué es importante conocer el sistema para realizar la prueba de forma correcta.
La ilustración muestra los problemas de intentar utilizar un probador de puesta
a tierra de pinza en una torre celular.
Las torres celulares están conectadas
a tierra en la base, con cada cable de
sujeción conectado a tierra y todos
ellos conectados en un anillo de
tierra. Si el operador pone las pinzas
alrededor del cabezal de una de las
tierras de los cables de sujeción, la
corriente de prueba simplemente
completará el circuito en el anillo de
tierra y no a través del suelo. Tenga
en cuenta que la corriente de prueba
circula por el conductor que conecta
Fig. 23: Torre celular: ejemplo de una mala
cada elemento (varillas de tierra)
aplicación
que compone el anillo. Como tal, el
probador de puesta a tierra de pinza no
medirá la calidad del sistema de puesta a tierra. La lectura corresponderá a la
resistencia del “bucle”.
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Conexión a tierra
Métodos de prueba adicionales: Técnica del
electrodo unido (ART)
La prueba de caída de tensión es muy confiable y bastante precisa, cumple
con la norma IEEE 81 y le da al operador un control completo sobre la
configuración. Por desgracia, se necesita demasiado tiempo y mano de obra
para realizarla, además de que requiere desconectar cada electrodo de tierra
del sistema.
Como se describe en el Apéndice II, la prueba de pinza es rápida y sencilla,
pero tiene muchas limitaciones. Necesita una buena ruta de retorno,
es susceptible al ruido, tiene menos precisión y no se puede utilizar en
tierras aisladas. No es aplicable para revisiones de instalación o puestas en
funcionamiento de nuevas instalaciones y no tiene confirmación incorporada.
El método de prueba de la técnica del electrodo unido (ART) ofrece algunas
de las ventajas de la prueba de pinza (no tener que desconectar el electrodo
de tierra) mientras permanece fiel a la teoría y la metodología de la prueba
de caída de tensión. Para entender el método, es necesario comprender
la teoría y la matemática detrás de él. En teoría, una medición de caída de
tensión se podría realizar sin desconectar el electrodo de tierra si se hicieran
mediciones adicionales con un medidor de pinza de fuga a tierra (medidor de
miliamperios). En las Figuras 24 y 25 se muestran las tres mediciones que se
harían.
Fig. 24: Medición de resistencia a tierra
50
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
El primer paso es medir la resistencia (RT) de todo el sistema con una
configuración típica de caída de tensión. En este ejemplo, la lectura de RT es
de 1,9 Ω.
El segundo paso consiste en la medición de la corriente total (IT) que se
inyecta en el sistema desde C1. En este ejemplo, IT es de 9,00 mA. El
siguiente paso es medir la cantidad de corriente (IU) que fluye hacia el
servicio. En este caso, IU, es de 5,00 mA. Con estas mediciones, se puede
determinar la caída de tensión del volumen de suelo seleccionado hasta el
punto de P2 de la siguiente manera:
V = IT x RT
V = 0,009 A x 1,9 Ω
V = 0,017 V
También se puede determinar la corriente que pasa por el electrodo de
tierra (IG).
IG = IT – IU
IG = 9,00 mA – 5,00 mA
IG = 4,00 mA
Fig. 25: Mediciones de corriente de fuga
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51
Conexión a tierra
Se puede determinar la resistencia del electrodo de tierra (RG) usando la
caída de tensión y la corriente que pasa a través del electrodo de tierra.
RG = V ÷ IG
RG = 0,017 V ÷ 0,004 A
RG = 4,25 Ω
Como se indicó, este es un enfoque teórico que requiere las condiciones
perfectas. Cualquier otra corriente que fluya desde el servicio a través del
electrodo de tierra disminuiría la precisión de la medición. El medidor de
pinza de fuga a tierra tendría que filtrar todo, excepto la corriente que
genera el instrumento a través de C1 para asegurar la precisión. Además,
para este enfoque se deben realizar varios cálculos matemáticos.
La técnica del electrodo unido se basa en la teoría que se describió
anteriormente. En la Figura 26 se muestra una prueba ART en desarrollo.
Fig. 26: Medición con la técnica del electrodo unido (ART)
52
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Los probadores de tierra que están diseñados para realizar mediciones ART
incluyen una pinza de corriente especial incorporada que se ubica entre la
conexión C1 y la tierra. Este tipo de instrumento incluye protección contra
el ruido y filtra digitalmente todas las demás corrientes que genera el
instrumento. El microprocesador del instrumento realiza de forma automática
todos los cálculos necesarios para generar una medición de resistencia para el
electrodo de tierra.
Esta prueba es una prueba de caída de tensión, lo que significa que todas las
“reglas” siguen vigentes. Idealmente, el operador tendrá que realizar diez
mediciones y graficar los resultados para determinar la resistencia real. Sigue
siendo esencial mantener un espaciado adecuado de las sondas, además de
seguir el procedimiento y la metodología de una caída de tensión. Al igual
que con las pruebas de caída de tensión tradicionales, se pueden comprobar
los resultados si se aumenta el espaciado de las sondas.
La ventaja del método ART sobre las pruebas de caída de tensión tradicionales
es que el electrodo de tierra en el que se realiza la prueba no se debe
desconectar del sistema.
Uso del método ART con la serie DET2/3
de Megger para probar la tierra comercial
(suelo) sin desconectar el sistema
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53
Conexión a tierra
Métodos de prueba adicionales: Método estrella delta18
Si la sonda de corriente se ubica tan cerca que está dentro del campo
de la tierra de prueba, las confirmaciones matemáticas del método de la
pendiente y las curvas de intersección serán ininteligibles y le indicarán
al operador que se debe encontrar una mejor posición para la prueba. Si
esta condición se mantiene y el espacio es tan limitado que no se puede
contar con el espaciado adecuado, puede ser necesario recurrir al método
de estrella delta. Recibe su nombre de la configuración de las sondas de
prueba y las líneas de medición (si se representan en un gráfico, este se
asemeja a los conocidos símbolos de bobinado “delta” y “estrella”). Este
método ahorra espacio mediante el uso de una configuración estrecha de
las tres sondas alrededor de la tierra de prueba (Figura 27).
En la Figura 27, se identifica el electrodo de tierra en que se realiza la
Fig. 27: Configuración de prueba con el método estrella delta
18 Desarrollado por W. Hymers y publicado en “Electrical Review”,
enero de 1975
54
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
prueba como “E”. Se colocan las tres sondas de corriente (P2, P3 y P4) a
distancias equidistantes de “E” con un ángulo de 120° entre ellas. Ya no se
utiliza la separación entre los circuitos de corriente y de tensión, y se realiza
una serie de mediciones de dos puntos (consulte la Figura 28) entre todos los
pares de sondas, además de las sondas a la tierra en que se realiza la prueba.
En aislamiento, la tierra en que se realiza la prueba “E” tiene una resistencia
R1, y las sondas P2, P3 y P4 tienen resistencias R2, R3 y R4, respectivamente.
En relación con cada una de los otras, la resistencia entre ellas es la suma
de las resistencias individuales (como dos resistencias en serie). Por ejemplo,
si las resistencias de “E” y P2 se midieran en un sistema de dos puntos, su
resistencia total sería R1 + R2. Por lo tanto, cuando se considera como un
todo, el patrón de resistencia de estrella delta se muestra con las flechas
entre “E” y las sondas en la Figura 28. Los resultados de las pruebas en
seis mediciones (R12, R13, R14, R23, R34 y R42) que se utilizan en una
“contracción” de cuatro series de ecuaciones para calcular la resistencia de la
tierra de prueba.
Fig. 28: Hacer una medición de dos puntos
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55
Conexión a tierra
Siempre que las distancias entre “E” y las sondas de corriente sean
adecuadas (para que las áreas de resistencia no se sobrepongan), la
resistencia individual de “E” se puede determinar de la siguiente manera:
1] R1 = 1/3 [(R12 + R13 + R14) – (R23 + R34 + R42)/2]
2] R1 = 1/2 (R12 + R13 – R23)
3] R1 = 1/2 (R12 + R14 – R42)
4] R1 = 1/2 (R13 + R14 – R34)
Si el resultado de la ecuación 1 coincide en su mayoría con los resultados
de las otras tres ecuaciones, significa que se dieron las condiciones
satisfactorias para la medición. Sin embargo, si una de las sondas se
situó de tal forma que su área de resistencia se superpuso con el área de
resistencia de “E” u otra de las sondas, se obtendrá una lectura falsa que
se nota a simple vista (puede incluso ser un valor de resistencia negativo).
Una lectura falsa le da a entender al operador que debe rehacer la prueba.
La realización de los cálculos para obtener los valores de R2, R3 y R4
mostraría la sonda que presenta la falla. Estas son las ecuaciones para R2,
R3 y R4:
R2 = 1/2 (R12 + R23 – R13)
R2 = 1/2 (R12 + R42 – R14)
R2 = 1/2 (R23 + R42 – R34)
R3 = 1/2 (R13 + R23 – R12)
R3 = 1/2 (R13 + R34 – R14)
R3 = 1/2 (R23 + R34 – R42)
R4 = 1/2 (R14 + R42 – R12)
R4 = 1/2 (R14 + R34 – R13)
R4 = 1/2 (R42 + R34 – R23)
56
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Determinación de la tensión de contacto y de paso
La tensión de contacto es el término dado a la diferencia de tensión
que una persona puede experimentar en su cuerpo si se encuentra, por
ejemplo, de pie en el suelo en la parte exterior de la valla perimetral
conectada a tierra de una subestación y toca la valla en el momento en
que se produce una falla a tierra.
Para determinar este valor, se puede utilizar primero un probador de
puesta a tierra para obtener la resistencia a tierra. Se conecta como se
muestra en la Figura 30.
Se conecta el terminal “C1” del probador de conexión a tierra al sistema
de puesta a tierra de la subestación (p. ej., en “E”) y se conecta el
terminal “C2” a una estaca de corriente “C” (que se coloca, para el
propósito de la prueba, a bastante distancia). El terminal “P1” se conecta
a la estructura en la que se realiza la prueba (p. ej., la valla perimetral
que la persona podría tocar) y el terminal “P2” se conecta a la estaca de
tensión “P” que se inserta en la tierra a unos 3 pies de distancia de la valla
perimetral adyacente al punto de prueba de la valla (es decir, donde la
persona podría estar parada).
Se hace funcionar el probador de puesta a tierra de forma normal y se
realiza una medición de resistencia. Esta es la resistencia efectiva entre
el punto de prueba de la valla y la estaca de tensión como se ve en la
corriente de prueba. Se debe conocer el valor máximo de la corriente que
fluiría en la tierra cuando se produzca una falla en la subestación. Se debe
calcular la corriente máxima de falla a partir de los parámetros asociados
con el valor nominal implicado de la subestación; no es necesario
calcularla directamente.
La tensión máxima de contacto efectiva se puede calcular con un margen
de precisión razonable (cercano al 20 % en función de qué tan real sea la
medición de resistencia a tierra) si se multiplica la corriente de falla por la
resistencia a tierra.
La tensión de paso se obtiene de una forma similar. Esta es la diferencia
de tensión que experimentaría una persona entre sus pies si caminara
sobre la tierra en la que existe una corriente de falla.
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57
Conexión a tierra
Se conectan los terminales “C1” y “C2” en el probador de conexión a
tierra como se describe para la determinación de la tensión de contacto.
Se conectan los terminales “P1” y “P2” a dos estacas de tensión
colocadas para los propósitos de la prueba. Se clavan las estacas en la
tierra en las posiciones “A” y “B” como se muestra en la Figura 29, a
unos 3 pies de distancia (es decir, a la distancia promedio de la pisada
de una persona). (Nota: “A” está más cerca de “E” y se conecta al
terminal “P1”).
Se hace funcionar el probador de puesta a tierra de forma normal y
se realiza una medición de resistencia. Esta es la resistencia efectiva
entre “A” y “B” como se ve en la corriente de prueba. De nuevo, se
debe conocer el valor máximo de la corriente que fluiría en la tierra en
condiciones de falla en la subestación.
Se puede calcular la tensión de paso efectiva si se multiplica la corriente
de falla por la resistencia a tierra, nuevamente, con un alto grado de
precisión.
Fig. 29: Método de uso para determinar la tensión de contacto y de paso
58
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
SECCIÓN III
Medición precisa de la resistencia a tierra para sistemas de
puesta a tierra grandes
Los sistemas de tierra grandes, como los que se encuentran en las
subestaciones y en las estaciones de energía eléctrica, son una parte
importante de la protección para la red de suministro eléctrico. Garantizan
que la corriente de falla permita a los dispositivos de protección funcionar
de forma correcta. Una subestación debe tener una resistencia a tierra
baja para reducir las tensiones excesivas que se generan durante una
falla que podría poner en peligro la seguridad de las personas que se
encuentran cerca o dañar el equipo.
Se debe medir la resistividad del suelo circundante al instalar un sistema
de tierra. Las pruebas de resistividad inexactas pueden generar costos
innecesarios en el diseño del sistema.
Es de suma importancia verificar que el sistema eléctrico de puesta a tierra
cumpla con los criterios de diseño después de la instalación y se deben
realizar mediciones periódicas para asegurarse de que la corrosión o los
cambios en la resistividad del suelo no tengan un efecto adverso. Puede
que las redes de tierra parezcan estar en buenas condiciones hasta que
ocurre una falla y surge una situación peligrosa.
Para obtener un valor lo suficientemente bajo de la resistencia a tierra,
los sistemas de tierra pueden contar con una alfombra a tierra que
cubra un área grande o diversas varillas interconectadas. Se deben
utilizar las técnicas de prueba adecuadas para los sistemas grandes a fin
de asegurarse de que se obtendrán lecturas válidas. En cambio, puede
ser más sencillo realizar las pruebas en una varilla simple de tierra (por
ejemplo, un sistema de protección contra rayos o tierra residencial).
Desafíos para realizar pruebas en sistemas de puesta a tierra
grandes
Asegurar mediciones válidas cuando se realizan pruebas en sistemas
de puesta a tierra grandes requiere que se utilicen las técnicas y la
instrumentación adecuadas. La naturaleza de los sistemas de puesta
a tierra en las subestaciones y las estaciones de energía eléctrica y las
condiciones relacionadas hacen que sea mucho más complejo realizar
las pruebas que en una varilla simple de tierra. Los siguientes son los tres
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59
Conexión a tierra
desafíos clave cuando se realizan pruebas en los sistemas de puesta a
tierra de las subestaciones:
1. El área físicamente grande de un sistema de conexión a tierra de la
subestación/estación de energía da como resultado una gran “zona
de resistencia” y, en consecuencia, distancias largas a las sondas de
prueba. Lo ideal es que la sonda de prueba de corriente se coloque a
10 veces la distancia máxima en el sistema de conexión a tierra (por
ejemplo, 3000 pies para una red de conexión a tierra de 300 pies2) para
encontrar la parte “plana” de la curva de resistencia característica.
2. En general, la gran “área de resistencia” arroja valores resistivos de
tierra inferiores a 0,5 Ω; la resolución del instrumento de prueba es
esencial si se van a observar pequeñas variaciones en las lecturas. Si el
instrumento de prueba no tiene una resolución adecuada, los errores de
instrumentos pueden abrumar los resultados.
3. Las grandes redes eléctricas tienen un ruido que consiste en la
frecuencia del suministro eléctrico y sus armónicos, más el ruido de alta
frecuencia de los conmutadores, etc., y las señales inducidas de otras
fuentes. El probador de conexión a tierra debe recuperar y analizar
una pequeña señal de prueba en un entorno de prueba mucho más
grande. La mayoría de los probadores de conexión a tierra solo inyectan
una frecuencia única (generalmente 128 Hz) que es adecuada en la
mayoría de las situaciones porque evita los armónicos de las frecuencias
de línea estándar. Lamentablemente, a menudo no es adecuado en
subestaciones, y este tipo de interferencia puede causar importantes
errores de medición.
Abordar los desafíos para realizar pruebas en sistemas de
puesta a tierra grandes
En un mundo ideal, las pruebas de un sistema de puesta a tierra grande
se realizarían según el método de caída de tensión. Lamentablemente,
las grandes “áreas de resistencia” que se encuentran en los sistemas de
puesta a tierra grandes pueden hacer que sea inviable o incluso imposible
llevar a cabo esta prueba. Como se señaló anteriormente, poner la sonda
de prueba de corriente a 10 veces la distancia máxima del sistema de
tierra puede requerir cables de varios miles de pies. En estas situaciones,
60
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
se puede utilizar eficazmente el método de la pendiente, ya que no
requiere que el usuario encuentre la parte “plana” de la curva o conozca
el centro eléctrico como un punto desde el cual medir. Las lecturas
se toman a un 20 %, un 40 % y un 60 % de la distancia de la sonda
de corriente y se colocan en un modelo matemático de la resistencia
característica.
Los otros desafíos que surgen cuando se realizan pruebas en sistemas de
puesta a tierra grandes se relacionan con las capacidades del instrumento
de prueba. La mejora de la tecnología ha hecho posible diseñar
instrumentos que aborden los problemas que crean las características y
condiciones que se encuentran en los sistemas de puesta a tierra grandes
y en sus alrededores.
Para que el método de la pendiente proporcione resultados significativos,
es de suma importancia que se realicen mediciones precisas de las
variaciones en distintos puntos. Las diferencias pueden ser bastante
pequeñas debido a que los sistemas de puesta a tierra grandes tienen, por
lo general, valores resistivos menores de 0,5 Ω. Un instrumento con una
resolución de medición de 1 mΩ puede indicar las pequeñas diferencias
entre lecturas bajas.
El ruido es un gran problema en las pruebas de los sistemas de tierra
grandes y se debe abordar para asegurar resultados precisos. Para ser
eficaz, el instrumento de prueba debe estar diseñado para sobrellevar
los efectos del ruido relevante en el ambiente de la prueba. Entre las
capacidades técnicas que pueden ayudar a contrarrestar el problema del
ruido se encuentran las siguientes opciones:
■
Una frecuencia de prueba variable (en vez de una sola frecuencia fija de
prueba) que puede ayudar a eliminar cualquier ruido extraño que pueda
afectar la lectura.
■
Un alto nivel de eliminación de interferencia pico a pico.
■
Un sofisticado sistema de filtro para eliminar más ruido.
■
Diversos ajustes de corriente para mejorar la relación señal-ruido
cuando sea necesario.
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61
Conexión a tierra
Medición de la resistencia de sistemas de electrodo de tierra
grandes: Método de intersección de curvas19
Las dificultades en la medición de la resistencia de sistemas de electrodos
grandes incluyen el uso de cables muy largos para conectar las sondas de
tensión y de corriente. Se ha ideado un método alternativo en el que no se
necesitan estos cables largos. El principio básico es obtener las curvas de
tierra-resistencia de varios espaciados de corriente-electrodo y, si se supone
una gran cantidad de posiciones consecutivas para el centro eléctrico del
sistema, producir curvas de intersección que proporcionarán la resistencia a
tierra y la posición del centro eléctrico.
Se pueden presentar algunos problemas difíciles en el momento de medir
la resistencia de un sistema de electrodos de tierra que conste de una gran
cantidad de varillas, cintas y otros elementos conectados en paralelo y que
cubran una gran área. El método habitual de medición que funcionaba muy
bien tiene una desventaja; esto es que, por lo general, es necesario poner
la sonda de corriente auxiliar a una distancia considerable del sistema de
electrodos de tierra. En algunos casos, esta distancia puede llegar a ser de
3000 pies, lo que no siempre es práctico o posible.
Es obvio que sería mejor utilizar un método que no necesite cables tan
largos. Por lo tanto, se sugiere lo siguiente.
Supongamos que todas las mediciones se realizan desde un punto de
partida arbitrario O y se mide la distancia C a la sonda de corriente y la
distancia variable P a la sonda de tensión desde este punto. Entonces,
se puede obtener una curva como abc (Fig. 30) en la que se obtenga la
medición de resistencia frente al valor de P. Supongamos ahora que el
centro eléctrico del sistema de electrodos de tierra está, en realidad, en D:
la distancia X desde O. Por lo tanto, la distancia real desde el centro hasta la
sonda de corriente es C + X, y la resistencia real se obtiene cuando la sonda
de tensión está a una distancia de 0,618 (C + X) desde D. Esto significa que
el valor de P, medido desde O, es de 0,618 (C + X) - X. Si a X ahora se le
da una cantidad de valores, se pueden calcular los valores correspondientes
de P y se puede leer la resistencia a partir de la curva. Se pueden graficar
estas resistencias en otra curva con respecto a los valores de X. Cuando se
19 “Measurement of the Resistance of An Earth-Electrode System Covering a Large Area”. Dr.
G. Tagg; IEE Proceedings, Vol. 116, Mar. 1969.
62
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
repite este proceso para un valor diferente de C, y se obtiene otra curva
de resistencia frente a X, las dos curvas se deberían cruzar en la resistencia
requerida. Se puede repetir el proceso para un tercer valor de C como
comprobación. Estas curvas se denominan curvas de intersección. Se ha
supuesto que D, O y C están en la misma línea recta.
Prueba en una subestación grande
Las pruebas se realizaron en una estación que cubre un área de
aproximadamente 300 pies x 250 pies. El sistema de puesta a tierra consta
de una serie de varillas y placas de tierra unidas por cables de cobre. Se
trazó la línea de prueba desde un punto en el frente que estaba a medio
camino de uno de los lados y se puso el electrodo de corriente a distancias
de 400, 600, 800 y 1000 pies desde el punto de partida. Las curvas
resultantes de tierra-resistencia se muestran en la Figura 31. Se trazan
las curvas de intersección, y el valor final de la resistencia se encuentra
en la Figura 32. Es razonable esperar que este valor sea correcto con un
pequeño porcentaje de diferencia.
Fig. 30: Curva de resistencia a tierra aplicable a los sistemas de un área grande
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63
Conexión a tierra
Comentarios generales
El propósito de este método es reducir esa distancia hacia la sonda de
corriente y, al parecer, se logró, aunque hay algunos puntos adicionales que
se deben tener en cuenta. A partir del trabajo que se hizo con este método,
hay algunos límites en la distancia a la sonda de corriente. Para cumplir con
ellos, si el sistema de puesta a tierra tiene forma de cuadrado, la distancia
mínima para la sonda de corriente no debe ser inferior al lado del cuadrado.
Por otro lado, la distancia máxima no debe ser demasiado grande. Si es
así, la curva resultante es muy plana y es más difícil determinar el punto de
intersección con precisión. Reiteramos que, para un sistema cuadrado, la
distancia máxima no debe exceder el doble del lado del cuadrado. Para otras
formas de sistemas de electrodos de tierra es necesario determinar los valores
máximo y mínimo adecuados para la distancia a la sonda de corriente.
Uso de un Megger serie DET4 para realizar pruebas de conexión a tierra
en un edificio (suelo)
64
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
600
Fig. 31: Curvas de resistencia a tierra para una subestación
Fig. 32: Curvas de intersección de la Figura 31. El centro del triángulo formado por
la intersección da la resistencia a tierra de 0,146 Ω.
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Conexión a tierra
Medición de la resistencia de sistemas de electrodo de tierra
grandes: Método de la pendiente20
Se ha demostrado que la resistencia a tierra real de un sistema de electrodos
se obtiene cuando el potencial temporal P está situado a una distancia desde
el centro eléctrico del sistema equivalente al 61,8 % de la distancia desde
el centro eléctrico hasta la sonda temporal de corriente. Este principio se
utiliza en la técnica denominada “curvas de intersección”, que se explica en
el Apéndice II. Se hace evidente que el método es de naturaleza compleja y
requiere algunos cálculos de “prueba y error”.
Se desarrolló otra técnica que se describe aquí. Es más fácil de usar y ha
demostrado dar resultados satisfactorios, tanto en el plano teórico como
en los casos prácticos, y cuando el suelo no es homogéneo. Se denomina
método de la pendiente.
Para aplicar esta técnica, realice los siguientes pasos.
1. Elija una varilla práctica E a la que se pueda conectar el probador de puesta
a tierra. E es una de las muchas varillas paralelas que forman el complejo
sistema de tierra.
2. Inserte la sonda de corriente a una distancia (DC) de E (por lo general, la
distancia DC es de 2 a 3 veces la dimensión máxima del sistema).
3. Inserte las sondas de tensión a distancias iguales al 20 % de DC, al 40 %
de DC y al 60 % de DC. Consulte los ejemplos en el paso 4.
4. Mida la resistencia a tierra utilizando cada sonda de tensión por turnos.
Registre estos valores resistivos como R1, R2 y R3, respectivamente.
Ejemplos: R1 = 0,2 x DC
5. Calcule el valor de
µ=
R2 = 0,4 x DC
R3 = 0,6 x DC
R3 - R2
R2 - R1
El resultante se denomina µ y representa el cambio de pendiente de la
curva de distancia/resistencia.
20 “Measurement of the Resistance of Large Earth-Electrode Systems by the Slope Method”.
Dr. G. Tagg; IEE Proceedings, Vol. 117, Nov. 1970.
66
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
6. Consulte la Tabla VII para encontrar el valor correspondiente de DP/DC
para µ.
7. Dado que ya conoce el valor de DC (distancia a la sonda de corriente),
calcule una nueva DP (distancia a la sonda de tensión) como se explica en
el siguiente punto y, a continuación, inserte la sonda de tensión en esta
nueva distancia desde E.
DP = DP/DC x DC
Ahora, realice una medición de la resistencia a tierra poniendo la sonda
de tensión a esta nueva distancia DP. Esta medición se conoce como la
resistencia “real”.
8. Repita todo el proceso para un valor mayor de DC. Si la resistencia “real”
disminuye considerablemente a medida que se aumenta DC, es necesario
aumentar aún más la distancia de DC. Después de realizar una serie de
pruebas y trazar la resistencia “real”, la curva empezará a mostrar una
disminución menor e indicará lecturas más estables. En este punto se
observa la resistencia del sistema de puesta a tierra.
NOTA: Al igual que con otras técnicas de pruebas de tierra, es posible que
tenga que realizar algunos experimentos para determinar si el resultado
práctico es tan preciso como la teoría parece indicar.
El método de la pendiente se diseñó para eliminar la necesidad de contar
con cables demasiado largos mediante la capacidad de interpolar la distancia
correcta a lo largo de la curva de resistencia combinada; es decir, la curva
de la resistencia de la sonda de corriente superpuesta con la red en que se
hizo la prueba, sin el espaciado suficiente para producir la “parte plana”
característica entre ambas.
Fig. 33: Ubicaciones de las sondas de tensión para utilizar el método
de la pendiente
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67
Conexión a tierra
Una observación particular sobre el método de la pendiente es que si el
cálculo de µ es mayor que el que figura en la tabla, se debe aumentar la
distancia C.
En segundo lugar, antes de que se puedan aceptar los valores de medición
de R1, R2 y R3 con cierto grado de confianza, se recomienda graficar una
curva en la que se identifiquen los efectos localizados y se eliminen las
lecturas no características de los cálculos. En tercer lugar, también se sugiere
repetir la prueba en distintas direcciones y con distintos espaciados. Los
diversos resultados deberían mostrar un grado razonable de coincidencia.
68
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Método de medición a cuatro puntas
El método de medición a cuatro puntas es otro método que se basa en
la caída de tensión que permite que el usuario aborde los problemas que
suponen los sistemas de puesta a tierra complejos en los que el centro
eléctrico del sistema de puesta a tierra es difícil de ubicar. Este método lo
mostró por primera vez el Dr. G. F. Tagg en un artículo de IEE de 1964 [6].
Para el propósito de este folleto, cubriremos el método de prueba y
las fórmulas mediante las cuales se puede determinar la resistencia del
sistema de puesta a tierra. No hablaremos de la teoría que respalda el
método, aunque esta enlaza los valores de resistencia obtenidos con
mediciones en seis posiciones diferentes para la sonda de tensión en
cuatro fórmulas con la resistencia real (R∞), lo que ocurriría en distancias
infinitas a la sonda de corriente.
Las sondas de prueba se disponen como se muestra en la Figura 34 y se
realizan las mediciones desde el extremo del sistema eléctrico. Se coloca la
sonda de corriente a una distancia apropiada del extremo del sistema de
puesta a tierra. A continuación, se coloca la sonda de tensión a distancias
equivalentes al 20 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 % y 80 % de la distancia
a la sonda de corriente y se realiza una prueba en cada ubicación. Los
valores de resistencia obtenidos (R1, R2, R3, R4, R5 y R6) se utilizan a
continuación en cuatro fórmulas.
Las siguientes son las fórmulas utilizadas:
1] (R∞) = -0,1187R1 – 0,4667R2 + 1,9816R4 – 0,3961R6
2] (R∞) = -2,6108R2 + 4,0508R3 – 0,1626R4 – 0,2774R6
3] (R∞) = -1,8871R2 + 1,1148R3 + 3,6837R4 – 1,9114R5
4] (R∞) = -6,5225R3 + 13,6816 R4 – 6,8803R5 + 0,7210R6
Los cuatro resultados de R∞ deben coincidir mayoritariamente y se
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69
Conexión a tierra
puede calcular un promedio de los resultados. Sin embargo, debido
a las hipótesis formuladas en la teoría de este método, es posible que
el resultado de la ecuación (1) sea menos preciso que los otros. Si el
resultado de (1) varía con respecto a los otros resultados, se puede ignorar
y calcular el promedio a partir de los otros tres resultados.
Una importante desventaja de este método es que requiere una gran
distancia para CC. Esta distancia puede ser de hasta 2000 pies o más para
los sistemas de puesta a tierra que cubren un área grande o son de muy
baja resistencia.
Fig. 34: Configuración de prueba con el método a cuatro puntas
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
APÉNDICE I
Guía de nomograma para obtener una resistencia a tierra
aceptable21
El Dr. L.E. Whitehead, de DuPage Laboratories, elaboró un nomograma
(Fig. 35) que puede ser una guía útil para cumplir con la norma establecida
a fin de obtener una resistencia a tierra mínima. Si tiene un sistema de
electrodos de tierra determinado y se da cuenta de que la lectura de su
instrumento Megger es demasiado alta, se puede utilizar el gráfico para
ver qué puede hacer para disminuir el valor. Tenga en cuenta que cubre las
tres condiciones variables que afectan la resistencia a tierra del electrodo: la
resistividad de tierra, la longitud de la varilla y el diámetro de la varilla.
Para ilustrar el uso del nomograma, veamos un ejemplo. Supongamos que
tiene una varilla de 5/8" insertada en el suelo a 10 pies de profundidad. Su
instrumento Megger indica una resistencia a tierra de 6,6 Ω. Sin embargo,
digamos que la especificación de su resistencia “no es mayor de 4 Ω”. Para
conseguir esto, puede cambiar una o más de las tres variables: la forma más
sencilla y eficiente es cambiar la profundidad de la varilla insertada. Para
encontrar la profundidad necesaria que proporcione una resistencia a tierra
de 4 Ω, debe hacer lo siguiente: Con una regla, trace una línea desde el
punto de 10 pies en la línea L hasta el punto de 5/8" de la línea d; esto le
da un punto de referencia para saber dónde esta línea que cruza la línea q.
Conecte este punto de referencia con la resistencia medida en la línea R
de 6,6 Ω, como se muestra en la Figura 35; lea el valor de la resistividad de
tierra cuando esta línea cruce la línea p. El valor es de 2000 ohm-cm.
Para determinar la profundidad necesaria de la varilla para una resistencia
a tierra de 4 Ω, dibuje una línea desde este punto sobre la línea R a través
del punto de los 2000 de la línea p hasta que cruce la línea q. La línea
discontinua en la Figura 35 muestra este paso. Ahora, suponiendo que se
mantenga inalterado el diámetro de la varilla, conecte el punto de 5/8 en la
línea d a través de su nuevo punto de referencia en q y extienda la línea a L.
Esto le da la profundidad necesaria de la varilla para el valor de resistencia a
tierra de 4 Ω. Por último, tome una nueva lectura con el instrumento para
verificar el valor, ya que la resistividad de tierra puede no ser constante
(como supone el nomograma).
21“Nomograph Determines Ground-Rod Resistance”, L.E. Whitehead, Electric Light & Power,
December 1962.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Otra forma de reducir la resistencia a tierra sería bajar la resistividad de
tierra. Observe en la Figura 35 que si dibuja una línea desde un punto de
referencia 1 (dejando la profundidad y el diámetro de la varilla sin cambios),
sería necesario reducir la resistividad de tierra a unos 1000 ohm-cm para
lograr la resistencia a tierra necesaria de 4 Ω. Puede hacer esto mediante
el tratamiento químico, tal como se describió anteriormente, pero, por lo
general, la manera más sencilla es poner la varilla a mayor profundidad.
L
q
Fig. 35: Nomograma sobre los factores básicos que afectan la resistencia a tierra
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73
Conexión a tierra
APÉNDICE II
Gráfico de métodos de prueba de conexión a tierra
* Método
Mejores aplicaciones
1. Caída de
tensión
Sistemas de electrodos pequeños (1 o 2 varillas/placas); sistemas
complejos si se traza la curva de resistencia completa
2. Caída de
tensión
simplificada
Sistemas de electrodos pequeños y medianos
3. Regla del
61,8 %
Sistemas de electrodos pequeños y medianos
4. Pendiente
Sistemas de puesta a tierra grandes, como subestaciones
5. Curvas de
intersección
Sistemas de puesta a tierra grandes, como subestaciones
6. Tierra muerta
(dos puntos)
No recomendado
7. Estrella delta
Sistemas de puesta a tierra situados en zonas urbanas
congestionadas o terrenos rocosos en los que es difícil colocar la
sonda
8. Cuatro puntas
Sistemas de puesta a tierra medianos y grandes
9. Pinza
Sistemas de puesta a tierra simples con rutas de retorno existentes
a través de múltiples tierras
* La técnica del electrodo unido (ART) se basa en la caída de tensión
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Conexión a tierra
Ventajas
Limitaciones
Extremadamente confiable; cumple con
la norma IEEE 81; el operador tiene un
control completo de la configuración de
prueba
Requiere largas distancias (y largos cables
de prueba) hacia las sondas de prueba en
los sistemas medianos y grandes, además de
exigir mucho tiempo y mano de obra
Es más fácil de realizar que una caída de
tensión completa y mucho más rápida
Ineficaz si no se conoce el centro eléctrico;
menos precisa que una caída de tensión
completa, ya que se realizan menos
mediciones
Lo más sencillo de realizar; cálculo mínimo;
menor número de desplazamientos de la
sonda de prueba
Supone condiciones perfectas; ineficaz si no
se conoce el centro eléctrico; el suelo debe
ser homogéneo; menos preciso
No es necesario conocer el centro eléctrico;
no es necesario colocar las sondas de
prueba a grandes distancias
Susceptible a suelos no homogéneos; menos
precisión; requiere realizar cálculos
No es necesario conocer el centro eléctrico;
no es necesario colocar las sondas de
prueba a grandes distancias
Muchos cálculos y trazado de curvas
Rápido y fácil de realizar
Problemas de posible superposición de
resistencia; retornos no metálicos (de alta
resistencia)
No son necesarias grandes distancias
para la ubicación de las sondas de
prueba
Las áreas de resistencia no se deben
superponer; es necesario realizar una serie
de cálculos
No es necesario conocer el centro
eléctrico
Se necesitan grandes distancias para las
sondas de prueba; es necesario realizar una
serie de cálculos
Rápido y sencillo; incluye la resistencia
de enlace y de conexión total
Eficaz solo en situaciones con múltiples
conexiones a tierra en paralelo; susceptible
al ruido; con base limitada en las normas; no
cuenta con confirmaciones incorporadas
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Conexión a tierra
PROBADORES DE TIERRA DISPONIBLES DE MEGGER®
DET2/3
El DET2/3 es un instrumento de prueba de puesta a tierra resistente,
compacto y avanzado, diseñado para
realizar mediciones de resistencia a tierra
de electrodos y de resistividad del suelo. El
DET2/3 es un probador para uso en sistemas
de puesta a tierra grandes o más complejos,
que incluyen estaciones de energía eléctrica,
subestaciones, líneas ferroviarias, sistemas de
comunicación y entornos en los que es difícil
realizar las pruebas.
Con su sistema potente controlado por
procesador, proporciona un enfoque flexible fácil de usar para las pruebas
de conexión a tierra ofreciendo una excelente capacidad de detección de
errores y una gran pantalla en color que muestra toda la información de la
prueba. El DET2/3 también pueden proporcionar un seguimiento en vivo de
sus mediciones en pantalla, que muestra gráficamente la cantidad de cambios
o ruido del sistema en el que se realiza la prueba: es una herramienta de
diagnóstico potente para cualquiera que necesite realizar pruebas de tierra.
DET14C y DET24C
El DET14C y el DET24C son probadores de resistencia a tierra de pinza
avanzados que establecen nuevos estándares con
respecto al acceso, el rendimiento, las funciones, la
sencillez de funcionamiento y la seguridad. Diseñados
con extremos de núcleo planos, evitan la acumulación
de suciedad, lo que garantiza la integridad de la
medición y una fiabilidad mejorada en comparación
con productos con dientes de enclavamiento. Otras
mejoras incluyen la seguridad de CAT IV 600 V,
una función de filtro incorporada para entornos
eléctricamente ruidosos, el almacenamiento de
resultados de pruebas con fecha y hora y ultralarga
duración de la batería. En el DET24C, los resultados de
las pruebas almacenadas se pueden transferir a una PC
a través de Bluetooth
76
Conexión a tierra
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Conexión a tierra
DET3TD y DET3TC
El DET3TD y el DET3TC son modelos digitales de tres terminales diseñados
para medir la resistencia a tierra de 0,01 Ω a 2000 Ω y tensiones de
tierra de hasta 100 V. Las unidades se suministran con un estuche de
transporte, cables de prueba y sondas.
El DET3TC tiene la capacidad para realizar
la técnica del electrodo unido (ART). Esta
función agregada permite realizar pruebas
a tierras in situ por separado, sin tener que
quitar la conexión al servicio eléctrico. Con el
ICLAMP optativo, puede medir corrientes de
tierra de 0,5 mA a 19,9 A y corrientes de fuga
de hasta 0,5 mA.
Serie DET4T2
La serie DET4T2 son instrumentos digitales de cuatro terminales y
comprende cuatro modelos con diferentes variantes de kit para cada
uno. El DET4TD2 y el DET4TR2 están diseñados para medir la resistencia
a tierra de 0,01 Ω a 20 kΩ y tensiones de tierra de hasta 100 V. El
DET4TC2 y el DET4TCR2 pueden medir
resistencias de tierra de 0,01 Ω a 200 kΩ, una
función clave para las pruebas de resistividad
del suelo. El DET4TC2 y el DET4TCR2 también
incluyen una función de medición de corriente
para la capacidad de ART.
El DET4TD2 y el DET4TC2 se alimentan con
ocho baterías AA, mientras que el DET4TR2 y el
DET4TCR2 funcionan con pilas AA recargables.
Las unidades se suministran con una funda de transporte, cables de
prueba, estacas y un certificado de calibración.
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Conexión a tierra
ACCESORIOS PARA PRUEBAS DE CONEXIÓN A TIERRA
DISPONIBLES DE MEGGER®
ETK (juego de prueba de conexión a tierra)
El juego de prueba de conexión a tierra de Megger (modelos ETK)
está diseñado para ser lo más práctico posible. Los juegos se guardan
prolijamente, bien protegidos y son fáciles de transportar, ya que están
dentro de una bolsa de transporte. En uso, los cables de prueba se ajustan
y se fijan en rollos, con acción suave. Simplemente corra el cable de
prueba del instrumento hasta el punto de prueba, enganche el extremo
directamente en la estaca y realice una prueba. Una vez finalizada la
prueba, suelte los cables de prueba y enróllelos. Los juegos vienen en
diferentes combinaciones para satisfacer las diferentes necesidades y
restricciones. Se proporcionan con una cinta de medición para garantizar
la colocación precisa de las estacas de prueba. Los carretes pueden estar
conectados en serie para proporcionar longitudes más largas en secciones
manejables.
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Conexión a tierra
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Conexión a tierra
Referencias
[1] “A Method of Measuring Earth Resistivity”, F. Wenner, Report No.
258, Bulletin of Bureau of Standards, Vol. 12, No. 3, Oct. 11, 1915.
[2] “An Experience With the Megger”, W.H. Simpson, Oil and Gas
Journal.
[3] “Grounding Electric Circuits Effectively”, J.R. Eaton, General Electric
Review, June, July, August 1941.
[4] “Calculation of Resistance to Ground”, H.B. Dwight, AIEE (IEEE)
Transactions, Vol. 55, 1936.
[5] “Ground Connections for Electrical Systems,” O.S. Peters, U.S.
National Bureau of Standards, Technological Paper 108, June 20,
1918 (224 páginas: agotado).
[6] Artículo 4619S de los procedimientos del volumen III de IEE, 12
diciembre de 1964, del Dr. G.F. Tagg
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Conexión a tierra
Recursos adicionales
1. “Earth Conduction Effects in Transmission System”, E.D. Sunde,
D. Van Nostrand Co.
2. “Principles and Practices in Grounding”, Pub. No. D9, Edison Electric
Institute.
3. “Guide for Safety in AC Substation Grounding,” AIEE (IEEE) No. 80.
4. “Recommended Guide for Measuring Ground Resistance and
Potential Gradients in the Earth”. AIEE (IEEE) No. 81.
5. “Master Test Code for Resistance Measurement, AIEE (IEEE) No. 550.
6. “Some of the Fundamental Aspects of Ground Resistance
Measurement, E.B. Curdts, AIEE (IEEE) Paper No. 58-106,
Transactions, Vol. 77, 1958.
7. “Equipment Grounding”, Industrial Power System Data Book,
General Electric Co.
8. “Lightning Arrester Grounds”, H.M. Towne, General Electric Review,
Parts I, II, III, Vol. 35, pp. 173, 215, 280, March, April, May 1932.
9. “Grounding Principles and Practices-Fundamental Considerations
on Ground Currents”, R. Rudenberg AIEE (IEEE), Elect. Eng., January
1946, Also AIEE (IEEE) Publication S2.
10. “Grounding Principles and Practices - Establishing Grounds”, C.H.
Jensen, AIEE (IEEE), Elect. Eng., February 1945, also AIEE (IEEE)
Publications S2.
11. “Deep Driven Grounds”, C.H. Jensen, EEI, T&D Committee,
May 1951.
12. “Grounding Principles and Practices - Static Electricity in Industry”,
Beach, AIEE (IEEE) Publication S2.
13. “Corrosion of Buried Metals and Cathodic Protection”, M.C. Miller,
Petroleum Engineer, March, April, May, June 1944.
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