Normas De Tierra

TEORIA Y DISEÑO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

6. Materiales de Puesta a Tierra

6.1 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA.

De acuerdo con la norma oficial mexicana [1.3] {250-81}, el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los siguientes tipos de electrodos (siempre que existan):

1. Electrodos de acero con cubierta de cobre.

2. Tubería metálica de agua enterrada.

3. Estructura metálica del inmueble.

4. Electrodo empotrado en concreto.

5. Anillo de tierra.

El conductor del electrodo de puesta a tierra sin ningún empalme (Exc. empalmes irreversibles {250-81}) podrá llevarse a cualquiera de los electrodos disponibles del sistema de electrodos de puesta a tierra y será dimensionado tomando el mayor calibre requerido para todos los electrodos disponibles.

Además, la misma sección de la Norma recomienda el uso de los electrodos de acero con cubierta de cobre, fabricados especialmente para la puesta a tierra.

Los tipos de electrodos fuera de la norma son:

1. Tuberías de gas enterradas. Porque en los E.U. las compañías suministradoras de este fluido se opusieron a ello.

2. Electrodos de aluminio. Aunque en Europa se han utilizado, los comités del NEC [1.4] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos químicos que se le forman no son buenos conductores eléctricos.

En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de electrodos.

6.1.1.ELECTRODOS DE ACERO CON CUBIERTA DE COBRE

De acuerdo con la NOM [1.3]{250-81a} consisten "en una varilla redonda con una longitud de 3 m o más, con diámetro de 13 mm, 16 mm y 19 mm. El acero le da dureza y el cobre resistencia a la corrosión y mejor conductividad. El espesor de cobre debe tener 0.25 mm como mínimo."

Pero la misma Norma, para aterrizar accesorios de líneas (de distribución, alumbrado, etc.) menciona que las barras deben ser de 2.40 m de largo y 16.0 mm de diámetro como mínimo y estar por o menos enterradas esa profundidad {2103-22b}.

La resistencia de contacto de una varilla está dada por la fórmula de Dwight [7.3].

R= p/(2 * pi * L) * [Ln (4L / a) - 1]

donde:

p es la resistividad del terreno en ohm - cm

L es el largo de la varilla en cm

a es el diámetro de la varilla en cm

En la figura 6.1 se muestran la resistencia a tierra (teórica) de otras configuraciones de electrodos.

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusión hasta que alcanzan la profundidad adecuada. En caso de terrenos rocosos o de tepetate, las varillas no pueden meterse de esa manera; se doblan o solamente no pueden entrar. Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie después de haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos.

Cuando la roca está más o menos profunda, estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un ángulo de 45 grados de la vertical. Pero, si no es este el caso, se deben enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso.

La alternativa al golpeado es perforar un agujero, instalar la varilla y rellenar nuevamente el agujero.

Cuando la resistencia de una varilla excede del valor permitido por la norma, esa resistencia se puede reducir de las siguientes maneras:

a) Usando una varilla de mayor diámetro.

b) Usando varillas más largas

c) Poniendo dos, tres o más varillas en paralelo.

d) Tratando químicamente el terreno.

a) VARILLAS DE MAYOR DIAMETRO

Usando varillas de 19 mm en lugar de varillas de 13 mm se logra una reducción en la resistencia a tierra de hasta un 25% máximo.

b) VARILLAS MAS LARGAS

Para los casos donde las capas superiores de la tierra son de arena y donde a gran profundidad se encuentra una capa de buen terreno húmedo, existen varillas que se acoplan unas a otras para lograr longitudes hasta de 15 m.

Aunque en algunas subestaciones de compañías eléctricas de los E.U. han empleado varillas con longitudes de hasta 30 m.

c) VARILLAS EN PARALELO

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistividad. Pero, las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra [1.1], porque cada varilla afecta la impedancia del circuito.

Cuando se colocan adyacentes, la impedancia neta es mayor.

La NOM [1.3] para puesta a tierra de accesorios de líneas, recomienda separar las varillas de tierra por lo menos una distancia igual a 2 veces su longitud {2103-22b}. Ya que, aproximadamente 91% de la resistencia a tierra de la varilla ocurre dentro de un cilindro hemisférico en la tierra con radio de 1.1 veces el largo L.

Cuando se utilizan múltiples electrodos, cada electrodo adicional no contribuye con una reducción proporcional en la resistencia del circuito. Dos varillas reducen la resistencia al 58% de una sola, mientras que 20 varillas apenas reducen ese valor al 10 %.

La resistencia neta para n varillas Rn esta determinada por la resistencia de una sola varilla R. Este es un valor aproximado que considera que las varillas están espaciadas por una distancia igual al diámetro del cilindro protector.

Rn = [R / n] * [ 2 - e ** (-0.17( x - 1))]

Y, representa el decaimiento de la capacitancia asociada con la propagación en la tierra.

Es de observar que, muchas varillas cortas tienden a ser más efectivas que unas cuantas largas. Esto puede ser verificado al unir las ecuaciones de las resistencias individuales y las de grupo. Considere un terreno de resistividad de 1000 ohm-m. Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohm. Dos varillas de 12.5 cm dan una resistencia de 210 ohm. Esto es, 2/3 de la resistencia.

Obviamente que esto supone que el terreno superficial es razonablemente conductor.

d) ELECTRODOS QUIMICOS

El problema de lograr en la roca así como en otros suelos de alta resistividad, una resistencia baja está asociada con el material y la compactación que éste recibe al rellenar el agujero.

Los materiales utilizados van desde el cascajo del mismo agujero, lo que no es recomendable por no poderse compactar. Arena, la cual tiene una alta resistividad inherente. El cascajo con sal, la cual pierde efectividad después de 5 a 7 años por perderse la concentración original, además de que la varilla como conector están en un ambiente corrosivo con los problemas inherentes.

El relleno ideal debe compactarse fácilmente, ser no corrosivo y a la vez buen conductor eléctrico. La bentonita es este relleno y es aceptada por la NOM [1.3] {250-83c}.

La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita, un silicato de aluminio, y tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de hincharse hasta 13 veces su volumen seco [7.1]. Y tiene una resistividad de 2.5 ohm-m con humedad del 300%.

La fórmula de Dwight para el caso de varilla enterrada en doble capa de tierra:

R= p0/(2 * pi * L) * (Ln a1 - Ln a0) + p1/(2 * pi * L) * [Ln (4L) - 1 - Ln a1]

donde:

p0 es la resistividad del terreno adjunto en ohm - cm

p1 es la resistividad del terreno circundante en ohm - cm

L es el largo de la varilla en cm

a0 es el diámetro de la varilla en cm

a1 es el diámetro del terreno adjunto a la varilla en cm

Aparte de la bentonita existen otros métodos químicos más. En el primero, en un registro hecho de tubo de albañal, junto a la varilla se colocan unos 30 cm de sulfato de magnesio o de sulfato de cobre, o de compuestos químicos patentados (THOR GEL, GEM, etc.).

Este método es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas o estacionamientos.

El otro método es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla con unos 20 o 40 kg de los químicos mencionados arriba, diluyendo con agua.

La primera carga dura unos 2 o 3 años y, las posteriores aún más, por lo que el mantenimiento es menos frecuente con el tiempo.

6.1.2. TUBERIA METALICA DE AGUA ENTERRADA

Para que una tubería de agua sea posible usarla como electrodo de puesta a tierra, debe reunir los siguientes requisitos:

a) Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra.

b) Eléctricamente continua hasta el punto de conexión, puenteando el medidor del agua, si está colocado en una posición intermedia.

La única desventaja de su uso es que debe complementarse con una varilla electrodo de acero con cubierta de cobre, aunque el calibre del conductor entre ambos no se requiere mayor al calibre 6 AWG en cobre.

No confundir con el requerimiento, casi siempre olvidado, del artículo de la norma mexicana [1.3]{250-80}, de conectar los sistemas interiores de tubería metálica para agua al puente de unión principal o a los electrodos de puesta a tierra, de acuerdo con la tabla 250-94 de la misma norma.

6.1.3. ESTRUCTURA METALICA DEL EDIFICIO

La estructura metálica de los edificios puede ser usada, siempre que esté bien puesta a tierra, esto es, que su impedancia a tierra sea baja.

Para que sea baja la impedancia, se deben unir las columnas a las partes metálicas de la cimentación con conductores según los calibres de los conductores de puesta a tierra de la norma [1.3]{250-94} y, en caso de haber sellos consistentes en películas plásticas, se deben puentear éstas.

6.1.4. ELECTRODOS DE CONCRETO ARMADO O UFER.

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