Puesta a Tierra - Procobre

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7. DISEÑO DE SISTEMAS DE ELECTRODOS DE TIERRA
7.1 Introducción
El capítulo 6 revisa las técnicas que puede aplicar el diseñador para reducir la impedancia del sistema de puesta a
tierra, ya que en general esto mejora su comportamiento. Este capítulo se concentrará en el diseño más detallado,
necesario para asegurar que se cumpla el criterio respeto de voltajes de paso y contacto, según las nuevas normas.
Note que las corrientes de falla consideradas son mayores que aquellas normalmente previstas en instalaciones
domésticas o comerciales, pero el comportamiento del electrodo debiera ser similar.
Para ilustrar el concepto diferente de diseño requerido, imagine que al diseñador se le ha solicitado asegurar que
el electrodo de tierra tiene una impedancia de 5 ohms, de modo que pueda operar el equipo de protección. Si además
suponemos que el suelo es uniforme en el sector, con 50 ohm-metro de resistividad, y las propiedades mecánicas del
suelo son apropiadas, entonces el método más económico de conseguir este valor puede ser usando una simple barra
vertical.
Por simulación computacional, mediante la fórmula de la sección 6.1 o usando el gráfico de la Figura 6-1, puede
calcularse que una barra de aproximadamente 12,5m de longitud proporcionará ese valor. Supongamos que el equipo
que se protege por este sistema de tierra está contenido en el interior de un gabinete metálico de 3 m de longitud y 2m
de ancho. Si la corriente de falla prevista es 200 amperes, el potencial del electrodo y del gabinete claramente se
elevará a 1000V durante el tiempo que demora la protección en operar. Habrá un voltaje en la superficie del suelo,
sobre el electrodo, el cual se reduce al alejarse de él.
Suponiendo que la barra de tierra se ha instalado en una esquina del gabinete, entonces los perfiles de voltaje en
la superficie del suelo que rodea la barra serán como se muestra en la Figura 7-1 (note que la Figura 2-1 se basa en el
mismo ejemplo y muestra la situación en tres dimensiones).
METROS
15
10
5
0
-5
Barra de tierra
1
2
3
4
5
6
Gabinete
-10
-10 -5 0 5 10 15
METROS
Ubicación
de pie
% DE ELEVACION
DE POTENCIAL
DE ELECTRODO
(G.P.R.)
6= 35%
5= 30%
4= 25%
3= 20%
2= 15%
1= 10%
Figura 7-1
Potencial en la superficie del suelo en torno a un
gabinete con puesta a tierra de barra simple
Estos perfiles se forman al suponer que la corriente
de falla fluye uniformemente en el terreno que rodea a la
barra y los contornos de potencial resultan marcando las
posiciones de igual voltaje a lo largo de cada trayectoria
de corriente (las líneas equipotenciales en todas las
figuras se muestran como porcentaje del alza de voltaje
real del electrodo (GPR)). Una persona que toque la
esquina opuesta del gabinete, con su pie un metro más
retirado, (es decir, en la posición mostrada en la figura
7-1) experimentaría una diferencia de potencial entre
mano y pie, de 784 volts.
Como se mencionó en el Capítulo 2, el voltaje de
contacto permitido depende de la norma relevante y del
tiempo tomado por el sistema de protección para
desconectar el circuito fallado. Claramente, una simple
barra no proporciona un sistema de tierra bien diseñado,
pero precisamente es el tipo que tradicionalmente se ha
usando en el pasado. Otro método tradicional era usar
una placa; para propósitos de comparación, la Figura 7-2
ilustra los perfiles de voltaje que resultarían si en vez de
la barra vertical se usara una placa cuadrada de 900mm
por lado, enterrada a 0,6 metros de profundidad. Esta
placa tendría una impedancia de 17 ohms. Las líneas
equipotencialmente tienen forma elíptica cerca del
electrodo y se transforman en circunferencias al alejarse
de él. Para un flujo de corriente de 200 amperes, el
potencial de contacto en la esquina del gabinete ahora es
de 3060 volts. Este mayor valor se debe a la mayor
impedancia de la placa comparada con la barra.
7.2 Sistemas de electrodos de área pequeña
Si se usan los tipos de electrodos anteriores como la
tierra principal para una instalación domiciliaria
residencial, puede ser suficiente. La corriente de falla
prevista debiera ser menor que 200 amperes, de modo
que la elevación de voltaje podría reducirse
significativamente y de la misma manera el voltaje de
contacto. Además, la muralla de la casa normalmente es
no-conductiva y la conexión al electrodo de tierra es
aislada. Así, es improbable que una persona pueda
experimentar un voltaje de contacto del tipo ilustrado.
Debiera notarse que el tiempo de despeje de la falla puede
ser bastante más largo y por lo tanto el voltaje de
contacto permitido, menor.