Diseño de la instalación de puesta a tierra

El objetivo de este trabajo es brindar a todos los
especialistas relacionados con las instalaciones de puesta a
tierra para la protección contra rayo, los elementos
básicos que permitan su diseño. Se incluyen las
expresiones de cálculo de resistencia a tierra de los
diferentes tipos y configuraciones de electrodos más
apropiados para cada situación y algunos gráficos que
ilustran los factores más importantes que influyen en su
comportamiento.

Constitución de una
instalación de puesta a tierra

Una instalación de puesta a tierra se compone,
esencialmente, de un grupo de electrodos (elementos
metálicos que se hallan en contacto íntimo con el
suelo) y de una red de conductores que los conectan a las partes
del sistema eléctrico que deben ser puestas a
tierra.

Existen otros elementos que contribuyen a dispersar las
corrientes del rayo o de una falla eléctrica en el terreno,
como son: el acero enterrado de la cimentación y el acero
estructural de la edificación, las tuberías
metálicas, la envoltura metálica de cables, etc. Sin
embargo, en años recientes, debido al uso creciente del
plástico en la funda de cables soterrados y en las
tuberías de suministro y de drenaje de agua, ha ocurrido una
pérdida de la eficiencia general de los sistemas de puesta a
tierra. Por estas razones, ahora más que nunca, es
importante asegurar que las instalaciones de puesta a tierra sean
correctamente diseñadas, instaladas y mantenidas.

Estudio previo para el
diseño de una instalación de puesta a
tierra

El proceso de diseño de una instalación de
puesta a tierra tiene que comenzar con un estudio exhaustivo del
sitio donde se prevé su emplazamiento. Este estudio
deberá incluir:

> el examen de todos
los sistemas tecnológicos existentes (eléctricos normal
y de emergencia, de telecomunicaciones, de protección contra
sobretensiones, de seguridad, etc.),

> el análisis de
la resistividad del suelo a varias profundidades y

> la exploración de limitaciones físicas
del suelo, como son: el área disponible, la existencia de
roca sólida a poca profundidad y la presencia de
conducciones metálicas enterradas para electricidad, agua o
gas.

Resistencia del electrodo de
tierra

La dispersión de la corriente del rayo mediante un
electrodo de tierra no ocurre en un punto del terreno, sino en un
volumen específico de este alrededor de dicho
electrodo.

Para asegurar que las tensiones que afectan la
superficie del terreno (tensiones de contacto y de paso) no
alcancen valores peligrosos, tienen que seleccionarse
adecuadamente el tipo de electrodo de tierra y la manera de
instalación.

La resistencia RA de un electrodo de tierra
puede explicarse mejor con ayuda de una esfera metálica
enterrada. Ver Figura 1. Si la esfera está enterrada a
suficiente profundidad, la corriente se dispersa radialmente y se
distribuye igualmente sobre toda la superficie de la
misma.

Fig. 1 Distribución de corriente del
electrodo de tierra esférico. Los círculos
concéntricos alrededor de la esfera representan superficies
de igual potencial. La resistencia RA del electrodo de
tierra está compuesta por las resistencias parciales de los
círculos individuales conectados en serie. La resistencia de
una capa de la esfera se calcula como:

donde:

PE Resistividad del suelo, asumiendo que es
homogéneo

l Espesor de una capa imaginaria de la
esfera

q Superficie media de la capa de la esfera Para
ilustrar este ejemplo, asúmase una esfera metálica de
20 cm de diámetro enterrada a una profundidad de 3 m con una
resistividad del terreno de 200 Ω.m.

Si se calcula la variación de la resistencia del
electrodo de tierra en las diferentes capas alrededor de la
esfera, que es función de la distancia desde el centro de la
misma, se obtiene la curva mostrada en la Figura 2.

Fig. 2 Ejemplo de la variación
RA en función de la distancia x del centro de la
esfera

La resistencia a tierra RA para un electrodo
esférico se calcula como:

donde:

t profundidad de enterramiento del electrodo
(m) rK radio del electrodo de tierra
esférico (m) Para estas condiciones RA da 161
Ω.

En la curva de la figura anterior se aprecia que la
mayor parte de la resistencia del electrodo de tierra ocurre en
su vecindad inmediata. Por ejemplo, a una distancia de 5 m desde
el centro de la esfera, ya se ha logrado el 90 % de la
resistencia RA del electrodo.

Fluctuaciones
estacionales

Se ha demostrado, mediante múltiples mediciones,
que la resistividad del suelo varía grandemente según
la profundidad de enterramiento del electrodo de tierra. Debido
al coeficiente de temperatura negativo del terreno (a =
0,02…0,004), la resistividad tiene un máximo en invierno y
un mínimo en verano. Es aconsejable, por consiguiente,
convertir los valores de resistencia a tierra medidos a los
máximos probables, ya que no deben excederse los valores
permitidos bajo las condiciones más desfavorables
(temperaturas muy bajas). La variación de resistividad
(PE) en función de la temperatura del terreno
(estación del año) puede representarse con bastante
aproximación por una curva sinusoidal que tiene un
máximo alrededor de mediados de febrero y un mínimo
alrededor de mediados de agosto. Dichas investigaciones
también han mostrado que, para electrodos enterrados a
profundidades menores que 1,5 m, la desviación máxima
de la resistividad de su valor medio es aproximadamente de ±
30 % (Figura 3).

Fig. 3 Resistividad PE en función de las
estaciones del año sin influencia de la lluvia
(profundidad de enterramiento del electrodo < 1,5
m)

Para los electrodos enterrados a mayor profundidad
(particularmente para las varillas), la fluctuación es
simplemente del ± 10 %. De la curva de forma sinusoidal de
resistividad, la resistencia a tierra RA de una
instalación de puesta a tierra medida en un día
particular puede estimarse al valor máximo
esperado.

Las partes metálicas (envolturas de lavadoras,
lavaplatos, refrigeradores) y las masas metálicas
(tuberías de agua, bañeras, cocinas) en edificaciones
de uso civil así como las carcasas de los generadores,
motores y transformadores, las envolturas metálicas de los
interruptores, los soportes de base de los seccionadores y
descargadores, las estructuras de las cabinas de
transformación, las torres de alta tensión en las
centrales eléctricas, subestaciones de transformación,
etc. en edificaciones de uso industrial se conectan a tierra con
la función de protección. Para ello, la
instalación de puesta a tierra deberá tener una
resistencia a tierra tanto menor cuanto mayor sean las eventuales
corrientes de falla que fluyan hacia el terreno. En esto caso, el
valor de resistencia necesario comúnmente lo calcula el
diseñador de la protección por medio de los programas
de análisis de falla y lo deberá facilitar a la persona
encargada del diseño de la instalación de puesta a
tierra. En su defecto, este último lo definirá en
función de la aplicación de que se trate.

En casi todas las normas de protección contra rayo
a nivel mundial se establece como límite máximo de
resistencia a tierra 10 Ω. En nuestro país se ha
establecido una diferenciación de este valor para
instalaciones ordinarias y tanques de almacenamiento del
petróleo y sus derivados; siendo de 10 Ω (según NC
IEC 620305) para las primeras y de 5 Ω (según NC 96-38)
para los segundos.

La filosofía básica de la instalación de
puesta a tierra es asegurar la dispersión de la corriente
del rayo en el terreno sin provocar sobretensiones peligrosas.
Para ello hay que conseguir la máxima área posible de
superficie de contacto de los electrodos de tierra con el suelo
circundante. Por lo que son más importantes las
disposiciones y dimensiones ofrecidas por los mismos que un valor
específico de resistencia.

Una configuración de electrodos de tierra de gran
extensión no solo ayuda lograr a una resistencia a tierra
inferior medida a baja frecuencia sino también a mejorar
considerablemente la impedancia de tierra ante la alta frecuencia
asociada con el rápido flanco de subida de la onda impulsiva
del rayo.

Tipos de electrodos de
tierra

Los electrodos de tierra idealmente deben penetrar hasta
el nivel de humedad por debajo de la superficie del
terreno.

Los electrodos de tierra pueden tener forma de: varilla,
cable, cinta, placa o malla.

Fig. 4 Tipos de electrodos de
tierra

Materiales de los electrodos
de tierra

De forma general, los materiales de la puesta a tierra
deben ser tales que:

– Sean duraderos.

– Permitan la circulación de la corriente de rayo
sin sufrir alteraciones térmicas, mecánicas y
eléctricas.

– Garanticen su solidez mecánica frente de las
influencias externas.

– No afecten a otras partes metálicas conectadas
por el posible efecto de electrólisis.

Al elegir el material de los electrodos de tierra se
tendrá en cuenta que el metal o la combinación de
metales de fabricación no se corroan excesivamente durante
el tiempo de funcionamiento previsto. La Tabla 1 muestra un
resumen de los materiales de electrodo de tierra y sus
dimensiones mínimas aprobadas, según establece la NC
IEC 62305.

Cobre El cobre es el material más usado en los
electrodos y demás componentes de las instalaciones de
puesta a tierra debido a sus altas conductividad eléctrica,
maleabilidad y resistencia a la corrosión.

Acero recubierto de cobre El daño del cubrimiento
de cobre crea un riesgo de corrosión del núcleo de
acero, por tanto tiene que garantizarse la presencia de una capa
de cobre completamente cerrada.

Acero galvanizado en caliente Es adecuado para embeber
en el hormigón. Los electrodos de tierra de cimentación
y los conductores de unión equipotencial conformados por
acero galvanizado embebido en hormigón pueden conectarse con
el hierro de refuerzo.

Acero inoxidable Ciertas aleaciones de acero inoxidable
son inertes y resistentes a la corrosión en el terreno. La
corrosión libre de potencial de estos aceros limpios en los
terrenos normalmente aireados es similar a la de cobre. La
superficie de los electrodos de tierra de acero se torna pasiva
al cabo de unas semanas y se les consideran son neutros respecto
a otros materiales. Los aceros inoxidables contendrán al
menos 16 % de cromo, 5 % de níquel y 2 % de
molibdeno.

Configuraciones de electrodos de
tierra

Las configuraciones de electrodos de tierra pueden
variar en dependencia de la aplicación, el tipo de suelo y
el espacio disponible.

Cálculo de la resistencia de
un electrodo

Debido a que el suelo presenta cierta resistencia al
paso de la corriente eléctrica y no es un conductor ideal,
siempre existirá una resistencia entre el electrodo de
tierra y la "tierra verdadera". Esta es conocida como
resistencia del electrodo de tierra y depende de la
resistividad del suelo, del tipo y dimensiones del electrodo y de
su profundidad de enterramiento.

Una vez conocida la resistividad del suelo, puede
calcularse la resistencia de las diferentes configuraciones de
electrodos de tierra de acuerdo a los tipos y dimensiones de
estos.

La Tabla 4 ofrece fórmulas prácticas para el
cálculo de la resistencia a tierra aproximada de los tipos
de electrodos de tierra más usados. Las fórmulas
precisas de cálculo se dan a continuación.

Electrodo horizontal (superficial)

Los electrodos de tierra superficiales se entierran
horizontalmente bajo la superficie del terreno generalmente a
profundidades entre 0,5 y 1 m. Pueden tener forma de cable o
cinta y estar fabricados de cobre o acero galvanizado. Estos
logran muy buena conexión con el terreno.

Estos electrodos no deberán tener una longitud muy
larga porque, como el tiempo de elevación de la corriente
del rayo es muy breve, esta habrá alcanzado el valor pico de
intensidad en el punto de conexión antes de que el frente
delantero haya viajado unos 100 m a lo largo de los
mismos.

No toda la extensión del electrodo presenta el
mismo comportamiento a diferentes frecuencias, por lo que existen
dimensiones efectivas para cada una de estas por encima de las
cuales no se obtiene una reducción significativa de la
impedancia. La práctica común al usar conductor
horizontal enterrado es a una profundidad > 0,5 m y con
longitud < 60 m.

Por ejemplo, un conductor de cobre sólido de 10 mm
de diámetro que corre unos 50 m a una profundidad de 0,5 m
por debajo de superficie, produce una resistencia teórica de
4 Ω en un suelo con una resistividad de 90
Ω.m.

En las regiones de clima templado debe tenerse en cuenta
que la capa de suelo que cubre el electrodo de tierra se seca en
verano y se congela en invierno. Por ello la resistencia
RA de dicho electrodo superficial se calcula como si
descansara en la superficie del terreno. Afortunadamente, nuestro
país presenta un clima subtropical húmedo con medias
anuales de temperatura de 26º C y de precipitaciones de 1
320 mm que no permite se produzcan estos efectos por muy bajas
sequedad y temperatura del terreno.

R donde:

RA Resistencia del electrodo superficial
(Ω) PE Resistividad del suelo (Ω.m) l
Longitud del electrodo (m) r Cuarta parte de la anchura
de la cinta plana (m) o diámetro cable redondo (m) Estos
electrodos son efectivos cuando se conecta a su punto medio un
conductor de bajada. Con esta configuración, la inductancia
de onda impulsiva se divide a la mitad, debido a que habrá
dos vías de transmisión paralelas.

La RA en función de la longitud del
electrodo puede tomarse de la Figura 5.

Fig. 5 Resistencia RA en función de la
longitud l del electrodo de tierra superficial a diferentes
resistividades PE.

La Figura 6 muestra los potenciales de tierra
UE longitudinal y transversal para un electrodo de cinta
plana de 8 m de longitud. Puede verse claramente el efecto de la
profundidad de enterramiento en el potencial de
tierra.

Fig. 6 Potencial de tierra UE entre el conductor
de suministro y la superficie del terreno en función de la
distancia del electrodo de tierra, para una cinta (8 m de largo)
a diferentes profundidades.

La Figura 7 ilustra la tensión de paso US
en función de la profundidad de enterramiento.

Fig. 7 Máxima tensión de paso US en
función de la profundidad de enterramiento para una cinta de
tierra.

Estos electrodos son más efectivos aún cuando
se emplean en combinación con varillas, ubicados
próximos a la unión con el conductor de
bajada.

Electrodo radiales o de estrella Los electrodos radiales
o de estrella son importantes cuando deben obtenerse resistencias
a tierra relativamente bajas en suelos pobremente conductores a
un precio factible.

Las configuraciones prácticas pueden tener la forma
de estrellas de varias puntas radiales respecto a un punto
central. Al poseer varias vías en paralelo se obtiene una
impedancia respecto a la onda impulsiva menor que a baja
frecuencia (50/60 Hz) debido a la interacción de los campos
de cada uno de los conductores radiales. Debido a dicha
interacción, el hecho de duplicar la cantidad de conductores
radiales no significa dividir a la mitad la
resistencia.

Una instalación de puesta a tierra constituida por
varios conductores radiales de longitudes efectivas menores
será mucho más conveniente bajo condiciones
transitorias que si estuviera compuesta por un conductor
único muy largo.

El cálculo de la resistencia de los radiales
enterrados está dado por:

donde:

RA Resistencia de los radiales (Ω)

PE Resistividad del suelo
(Ω.m)

n Cantidad de radiales

l Longitud de cada radial (m)

d Diámetro de cada radial (m)

h Profundidad de enterramiento de los radiales
(m)

Para el caso un electrodo de cuatro radiales (cuyos
brazos están a 90 ° uno del otro) de la resistencia
RA se calcula mediante la expresión:

donde:

RA Resistencia del electrodo superficial
cruciforme (Ω) PE Resistividad del
suelo (Ω.m) l Longitud del lado (m) d
Mitad de la anchura de la cinta (m) o diámetro del alambre
redondo (m)

La Figura 8 muestra la curva de la resistencia
RA de los electrodos radiales en función de la
profundidad de enterramiento y la Figura 9 muestra la curva de
potencial de tierra.

Fig. 8 Resistencia RA de un electrodo radial
cruzado a 90 ° en función de la profundidad de
enterramiento.

Fig. 9 Potencial de tierra UE entre el
conductor del electrodo y la superficie del terreno de un
electrodo radial cruzado a 90° en función de la
distancia del punto central de la cruz (profundidad de
enterramiento de 0,5 m).

Electrodo vertical (picas)

Este electrodo, también conocido como pica,
puede tener forma de tubo, perfil o varilla y se entierra
verticalmente. La varilla es quizá el tipo más
utilizado y por su constitución, existen tres
tipos:

> Cobre
sólido

> Núcleo de
acero enchapado en cobre

> Núcleo de
acero niquelado recubierto molecularmente con cobre Las varillas
de cobre sólido son más resistentes a la
corrosión, pero son muy caras y difíciles de clavar en
suelos duros sin que se doblen. Por esta razón mayormente se
usan las varillas combinadas de acero-cobre. Las enchapadas son
propensas a que el recubrimiento se desprenda del núcleo
cuando se clavan en suelo rocoso o cuando se doblan. Este efecto
expone a la corrosión al acero interior del núcleo. Las
recubiertas molecularmente son la solución de costo más
efectiva.

La resistencia a tierra RA de una varilla
se calcula como:

donde:

RA. Resistencia de la
varilla (Ω)

PE. Resistividad del suelo
(Ω.m) l Longitud de la varilla (m) r Radio
de la varilla (m)

La Figura 10 muestra la resistencia RA en función
de la longitud de la varilla l y la resistividad
PE.

Fig. 10 Resistencia RA de la varilla de tierra en
función de la longitud l a diferentes resistividades
PE.

Ejemplos:

> Varilla de 20 mm de
diámetro, 3 m de longitud y resistividad del suelo de 50
Ω.m, da una RA=16,1 Ω.

> Varilla de 25 mm de
diámetro, 2 m de longitud y resistividad del suelo de 30
Ω.m, da una RA=13,0 Ω.

Se debe prestar atención al hecho de que, en el
caso de varillas de gran longitud, éstas pueden alcanzar
estratos con resistividades menores.

Electrodos verticales en paralelo Si las condiciones del
suelo hacen que la resistencia deseada no pueda lograrse con un
único electrodo, entonces se intentará la
reducción de su valor mediante el uso de varios electrodos
en paralelo. A esta configuración generalmente se le llama
"arreglo de varillas".

La resistencia de electrodos en paralelo es una
función compleja que depende de factores tales como
cantidad, dimensiones, configuración, separación entre
los mismos y la resistividad del suelo. Esta no toma en
consideración el efecto de los conductores horizontales que
conectan las varillas en el arreglo, pero depende de la distancia
entre las áreas de influencia correspondientes a cada
electrodo. La distancia mínima de separación entre
electrodos es la profundidad de clavado. Si están espaciadas
a al menos dos veces su longitud enterrada, entonces se logra
sacar ventaja máxima de los electrodos adicionales. Si la
separación de los electrodos es mucho mayor que sus
longitudes y los electrodos conectados en paralelo no son muchos,
la resistencia a tierra resultante puede calcularse usando la
conocida ecuación de resistencias en paralelo.

Fig. 11 Efecto de apantallamiento entre varillas
muy próximas.

El valor de la resistencia RA de varillas
espaciadas a una distancia menor es dado por la siguiente
ecuación:

donde:

RA Resistencia de la varilla (Ω)

ρE Resistividad del suelo (Ω.m)

l Longitud de la varilla (m)

a’ Radio equivalente del electrodo en la superficie
(m)

donde:

d Diámetro del electrodo
(Ω)

h Profundidad de enterramiento del electrodo
(m)

s Longitud de la varilla (m)

s" Distancia de un electrodo a la imagen del
otro (m) Si los electrodos individuales están dispuestos
aproximadamente en un círculo y si todos tienen la misma
longitud, entonces la resistencia puede calcularse de la
siguiente manera:

donde:

RA Resistencia total (Ω)

RA' Resistencia promedio de los electrodos individuales

p Factor de reducción

Este factor de reducción es función de la
cantidad, la longitud del electrodo y la distancia entre
electrodos y se toma de la Figura 12.

Fig. 12 Factor de reducción p para el
cálculo de la RA total de varillas conectadas en paralelo.
Otra forma de calcular la resistencia a tierra RA cuando se
emplean múltiples varillas es:

donde:

RA Resistencia total (Ω)

RA' Resistencia de un electrodo

n Cantidad de electrodos conectados

nr Coeficiente de apantallamiento

El factor de apantallamiento depende de la longitud, la
configuración y la separación entre las varillas. Su
valor se encuentra en la Tabla 5.

Combinación de electrodos horizontales y
verticales.

Si la resistencia del electrodo se asegura mediante
varillas hasta las capas profundas que contienen agua en los
suelos arenosos, entonces podrán colocarse tan próximas
como sea posible al objeto a proteger. Si se requiere una
línea larga, es aconsejable instalar un electrodo radial
múltiple tipo estrella en paralelo con este para reducir la
resistencia en la medida que la corriente se eleva.

De forma aproximada, la resistencia de una
combinación de electrodos horizontal y vertical puede
calcularse como si el cable o la cinta estuviesen extendidos a lo
largo de la profundidad de clavado de la varilla.

Electrodo de anillo Es un conductor enterrado alrededor
de la estructura a proteger. Si no es posible lograr un anillo
cerrado, al menos se garantizará que el 80 % de su longitud
esté en contacto con el terreno y será complementado
usando los conductores que existan dentro de la misma, como los
conductos u otros componentes metálicos que sean
permanentes).

Para los electrodos de anillo circular con grandes
diámetros (d > 30 m), la resistencia se calcula
aproximadamente usando la formula para electrodo superficial
(donde la longitud del electrodo es el perímetro del
círculo p . d):

donde:

r Radio del conductor redondo o ¼ de la
anchura de la cinta plana (m)

Para un electrodo de anillo no circular, la resistencia
se calcula usando el diámetro d del círculo
equivalente con la misma área:

donde:

A Área encerrada por el anillo
(m)

Fig. 13 Determinación del radio medio para
el electrodo de anillo.

Electrodos de malla.

La malla es otro ejemplo del uso de conductores
enterrados bajo la superficie del terreno. Se utiliza sola o se
complementa con varillas cuando es práctico el clavado de
estas debido a las características del suelo. Presenta un
excelente comportamiento para el dispersión de la corriente
del rayo, aunque con mayor frecuencia se usa en la puesta a
tierra de subestaciones eléctricas para crear una plataforma
equipotencial capaz de manejar las altas corrientes de falla y
permitir múltiples puntos de inyección. Además, se
puede reducir significativamente su resistencia a tierra
aumentando su área. La resistencia de un electrodo mallado
es dada por la fórmula:

donde:

Electrodo de placa.

El valor de resistencia a tierra de la Tabla 1 se
refiere a la instalación vertical de la placa; de este modo
se consigue el máximo contacto de las dos caras con el
terreno, por ello se recomienda instalarla en esta
posición.

Cuando, por las condiciones del terreno, no sea posible
su instalación de este modo, se podrá instalar
horizontalmente y el valor de la resistencia a tierra se
calculará según la fórmula siguiente:

Este electrodo es recomendable para terrenos en que la
profundidad de la capa vegetal sea grande (entre 1 y 1,5 m).
Tienen el inconveniente de que la mayor parte de la corriente se
concentra alrededor de las aristas que tienen una superficie
total muy pequeña. Deben tener un espesor mínimo de 2
mm para el cobre y 2,5 mm para el acero galvanizado. En
ningún caso la superficie útil de la placa será
inferior a 0,5 m2. Cuando sea necesaria la colocación de
varias placas se separarán unos 3 m unas de
otras.

Electrodo de cimentación

El electrodo de cimentación está constituido
por los elementos metálicos, generalmente de acero,
embebidos en el hormigón.

La resistencia de un conductor metálico en el
hormigón de cimentación puede calcularse
aproximadamente usando la fórmula para electros
semiesféricos:

> Cuando se calcula la resistencia del electrodo, se
debe tener en cuenta que el electrodo de cimentación solo es
efectivo si el cuerpo del hormigón tiene un área de
contacto grande con el terreno circundante. La cubierta de
aislamiento repelente del agua que muchas veces se le aplica
aumenta significativamente la resistencia o aísla al
electrodo de cimentación.

El electrodo de cimentación tiene que
diseñarse como un anillo cerrado y disponerse en los
cimientos de las paredes exteriores de la estructura o en la losa
de cimentación. Cuando se trate de estructuras de gran
extensión, será necesario que este tenga
interconexiones intermedias de modo que las dimensiones de la
malla se excedan de 20 x 20 m.

En el local de entrada de servicio, tiene que
establecerse la conexión entre el electrodo de
cimentación y la barra de unión equipotencial. Con este
fin se preverá un borne que sale del hormigón para la
conexión de los conductores de bajada del sistema externo de
protección contra rayo y de otras aplicaciones de
tierra.

Implementación De acuerdo con las normas,
toda instalación a proteger debe tener su propia
instalación de puesta a tierra que debe ser completadamente
funcional por sí mismo sin requerir tuberías
metálicas de agua o conductores conectados a tierra de la
instalación eléctrica.

La magnitud de la resistencia de la puesta a tierra RA
tiene una importancia secundaria para la protección contra
daños físicos de la edificación. Lo esencial es
que se realice sistemáticamente la unión equipotencial
a nivel del terreno y que la corriente sea distribuida de manera
segura en este.

El potencial de la superficie de la tierra decrece con
el aumento de la distancia respecto al electrodo de
tierra.

La caída de tensión inductiva a través
del electrodo de tierra durante la elevación de la corriente
del rayo debe tomarse en cuenta para instalaciones de puesta a
tierra extensas (como los que requieren electrodos de tierra
superficiales largos en suelos de pobre conductividad con roca
sólida).

Para evitar el riesgo de que se produzcan perforaciones
y arcos eléctricos en el punto donde los conductores
aislados entran a la estructura, estos conductores se conectan
mediante vías de chipa de aislamiento o dispositivos de
protección contra sobretensiones al sistema de puesta a
tierra como parte de la unión equipotencial del
rayo.

Para mantener las tensiones de paso y de contacto tan
bajas como sea posible, tiene que limitarse la magnitud de la
resistencia de puesta a tierra.

Los dobleces agudos de los conductores de tierra crean
una inductancia insignificante a frecuencia industrial, pero a la
frecuencia de la corriente del rayo esta puede ser alta. Este
efecto facilita la ocurrencia de saltos de chispa, lo cual hace
que la corriente circule a tierra a través de otras rutas en
lugar de la cual está prevista para este fin, pudiendo
provocar un daño significativo.

Además, la resistencia de los electrodos de tierra
hasta aquí calculada no es totalmente válida para las
frecuencias de la corriente de rayo. Como el efecto inductivo
juega un papel importante en la impedancia, cuando se trata de
una instalación de puesta a tierra de gran extensión,
lo que realmente interesa es determinar la resistencia al
impulso.

El aumento de la longitud de los electrodos superficial
o de tipo varilla por encima de 30 m reduce la resistencia al
impulso solo en una cantidad insignificante. Por tanto, es
conveniente combinar varios electrodos más cortos. En estos
casos, debido a la interacción entre los mismos, debe
velarse por que la resistencia total no exceda el valor calculado
a partir de las resistencias individuales de electrodos
conectados en paralelo.

La resistencia de tierra al impulso de los electrodos es
una función del valor pico de la corriente del rayo y de la
resistividad del terreno. La longitud efectiva del electrodo para
la corriente del rayo se calcula mediante las siguientes
expresiones aproximadas:

La resistencia de tierra al impulso Rst puede
calcularse usando las mismas fórmulas dadas anteriormente,
pero sustituyendo la longitud l por la longitud efectiva
del electrodo de tierra leff .

Los electrodos superficiales tienen ventaja cuando las
capas superiores del suelo tienen una resistividad menor que la
del subsuelo. Si el terreno es relativamente homogéneo (o
sea, la resistividad en la superficie es aproximadamente la misma
que en su profundidad) entonces, para una resistencia de
electrodo de tierra dada, el costo de construcción de los
electrodos superficiales y verticales es casi el
mismo.

De acuerdo con la Figura 14, un electrodo vertical debe
tener alrededor de la mitad de la longitud de un electrodo
superficial.

Fig. 14 Resistencia RA de los electrodos
horizontal y vertical en función de la longitud l del
electrodo. Si la conductividad del terreno es más alta a una
profundidad mayor que en su superficie, por ejemplo debido a las
aguas subterráneas, entonces un electrodo vertical
generalmente es una solución de costo más efectiva que
el electrodo superficial.

La disyuntiva de cual electrodo (vertical u horizontal)
es mejor para un caso particular, solo puede resolverse mediante
la medición de la resistividad en función de la
profundidad. Aunque, generalmente, los electrodos verticales son
la mejor solución porque su montaje se realiza con mayor
facilidad (no hay necesidad de excavar trincheras), no alteran
las propiedades mecánicas del terreno y se logran valores de
resistencias a tierra bastante estables.

REFERENCIAS:

>"Lightning
Protection Guide", DEHN+SÖHNE, 2006.

>NC IEC 62305: 2007 "Protección contra
Rayo".

>"Dissipate the energy into a low impedance Grounding
System", ERICO Inc., 2001.

Autor:

Ing. Frank Amores Sánchez

Especialista PCI, APCI.