Métodos de puesta a tierra

Métodos de Aterramiento y Alfombras de Aterramiento

En los sistemas eléctricos, existen múltiples métodos de aterramiento disponibles, incluyendo el aterramiento por cable o tira, aterramiento por varilla, aterramiento por tubo, aterramiento por placa y aterramiento a través de las tuberías de agua. Entre estos, el aterramiento por tubo y por placa son los más comúnmente utilizados, y se explorarán en detalle a continuación.

Alfombra de Aterramiento

Una alfombra de aterramiento se construye conectando múltiples varillas con conductores de cobre. Esta configuración reduce eficazmente la resistencia de aterramiento general y juega un papel crucial en limitar el potencial de tierra. Es particularmente adecuada para áreas donde se esperan corrientes de falla grandes. Al diseñar una alfombra de aterramiento, varios factores críticos deben considerarse cuidadosamente:

Consideraciones de Seguridad

Durante una condición de falla, la diferencia de voltaje entre la tierra y la superficie del suelo debe mantenerse en un nivel que no represente peligro para las personas que puedan entrar en contacto con las superficies conductoras no portadoras de corriente del sistema eléctrico. Esto asegura la seguridad del personal que trabaja alrededor o cerca de la instalación eléctrica.

Operación del Relé de Protección

La alfombra de aterramiento debe ser capaz de manejar corrientes de falla ininterrumpidas lo suficientemente grandes como para activar el relé de protección. Una baja resistencia de tierra es esencial para permitir que la corriente de falla fluya libremente a través de la alfombra, lo que permite que el relé de protección opere rápidamente y aísle la sección defectuosa del sistema eléctrico.

Prevención de Corrientes Fatales

La resistencia de la alfombra de aterramiento debe diseñarse cuidadosamente para prevenir el flujo de corrientes fatales a través del cuerpo de una persona en caso de contacto accidental con partes vivas. Este es un requisito de seguridad fundamental para proteger la vida humana.

Limitación del Voltaje de Paso

El diseño de la alfombra de aterramiento debe garantizar que el voltaje de paso, que es la diferencia de potencial entre dos puntos en la superficie del suelo a cierta distancia, permanezca por debajo del valor permisible. Este valor permisible depende de varios factores, como la resistividad del suelo y las condiciones de falla necesarias para aislar el equipo defectuoso del sistema eléctrico vivo. Al mantener el voltaje de paso dentro de límites seguros, se minimiza el riesgo de choque eléctrico a las personas que caminan cerca de la instalación aterrada.

Electrodos de Aterramiento
Un electrodo de aterramiento se refiere a cualquier cable, varilla, tubo, placa o conjunto de conductores que se inserta en el suelo, ya sea horizontalmente o verticalmente. En los sistemas de distribución eléctrica, una forma común de electrodo de tierra es una varilla, típicamente de alrededor de 1 metro de longitud, que se clava verticalmente en el suelo. Este diseño simple pero efectivo ayuda a establecer una conexión confiable entre el sistema eléctrico y la tierra, facilitando la disipación segura de las corrientes de falla.

En contraste, dentro de las subestaciones generadoras, en lugar de depender de varillas individuales, a menudo se emplea una alfombra de aterramiento. Una alfombra de aterramiento consiste en múltiples conductores interconectados para formar una red. Este enfoque ofrece varias ventajas sobre el uso de electrodos individuales. El área superficial mayor y la naturaleza interconectada de la alfombra de aterramiento proporcionan una resistencia general más baja, lo que le permite manejar corrientes de falla más altas de manera más efectiva. Además, ayuda a distribuir el potencial eléctrico de manera más uniforme en el área de la subestación, reduciendo el riesgo de voltajes de paso y toque peligrosos que podrían representar una amenaza para el personal y el equipo.

Aterramiento por Tubo
Entre los diversos métodos de aterramiento aplicables bajo las mismas condiciones de suelo y humedad, el aterramiento por tubo se destaca como uno de los sistemas más prevalentes y altamente efectivos. En este enfoque, un tubo de acero galvanizado con perforaciones, conforme a las especificaciones aprobadas en cuanto a longitud y diámetro, se instala verticalmente en un suelo que permanece permanentemente húmedo, como se muestra en la ilustración adjunta.

La selección del tamaño del tubo es una consideración crítica, ya que se determina por dos factores principales: la magnitud de la corriente que el sistema de aterramiento necesita conducir y las características del suelo. Puede ser necesario un tubo de mayor diámetro o más largo para manejar corrientes de falla más altas, asegurando que la carga eléctrica pueda disiparse de manera segura y eficiente en el suelo. Además, diferentes tipos de suelo tienen resistividades eléctricas variables; por ejemplo, un suelo con mayor resistividad puede requerir un tubo de mayor tamaño para lograr la conexión de baja resistencia deseada con la tierra. Este proceso meticuloso de dimensionamiento garantiza la confiabilidad y seguridad del sistema de aterramiento por tubo, convirtiéndolo en una opción preferida para una amplia gama de instalaciones eléctricas.

Para el aterramiento por tubo, la práctica estándar dicta dimensiones específicas para el tubo de aterramiento, que varían según las condiciones del suelo. Típicamente, en suelos ordinarios, se utiliza un tubo con un diámetro de 40 mm y una longitud de 2.5 metros. Sin embargo, en suelos secos y rocosos, es necesario un tubo más largo para asegurar una conexión efectiva con la tierra. La profundidad a la que se entierra el tubo está directamente relacionada con el contenido de humedad del suelo, ya que un ambiente más húmedo facilita una mejor conductividad eléctrica.

En una instalación típica, el tubo se coloca a una profundidad de 3.75 metros. Para mejorar su rendimiento, la parte inferior del tubo está rodeada de pequeños trozos de coque o carbón, colocados aproximadamente a 15 cm de distancia. Se emplean capas alternadas de coque y sal, que cumplen propósitos distintos. El coque aumenta el área de contacto efectiva con la tierra, mientras que la sal reduce la resistencia de la tierra, optimizando colectivamente la eficiencia del sistema de aterramiento.
Un tubo adicional, con un diámetro de 19 mm y una longitud mínima de 1.25 metros, se conecta a la parte superior del tubo de hierro galvanizado (GI) a través de un casquillo reductor. Este tubo secundario desempeña un papel crucial en el mantenimiento de la funcionalidad del sistema, especialmente durante condiciones climáticas adversas.

Durante los meses de verano, el contenido de humedad en el suelo disminuye naturalmente, lo que lleva a un aumento en la resistencia de la tierra. Para contrarrestar esto, se construye una estructura de concreto para asegurar un suministro constante de agua. Para mantener una conexión efectiva con la tierra, se vierten 3 a 4 cubos de agua a través de un embudo conectado al tubo de 19 mm de diámetro, que está conectado al tubo principal de GI. El cable de tierra, que puede ser un cable de GI o una tira de cable de GI con una sección transversal suficiente para transportar de manera segura las corrientes de falla, se pasa a través de un tubo de GI de 12 mm de diámetro enterrado a aproximadamente 60 cm por debajo de la superficie del suelo.
Aterramiento por Placa
El aterramiento por placa implica enterrar una placa de aterramiento en el suelo. La placa puede estar hecha de cobre, con dimensiones de 60 cm × 60 cm × 3 mm, o de hierro galvanizado, con dimensiones de 60 cm × 60 cm × 6 mm. La placa se coloca verticalmente, con su parte superior a una profundidad no menor de 3 metros desde la superficie del suelo. Esta profundidad es crítica para garantizar un aterramiento eléctrico confiable, ya que permite que la placa tenga un contacto suficiente con el suelo, facilitando la disipación segura de las corrientes eléctricas en caso de falla.

Aterramiento por Placa
Al implementar el aterramiento por placa, la placa de aterramiento se inserta en capas auxiliares de coque y sal, con un espesor mínimo de 15 cm para estas capas. Esta combinación ayuda a reducir la resistividad del suelo alrededor de la placa, mejorando la efectividad del sistema de aterramiento. Un cable de tierra, hecho de hierro galvanizado (GI) o cobre, se fija firmemente a la placa de aterramiento utilizando tuercas y tornillos. A pesar de la superior conductividad eléctrica del cobre, las placas y cables de cobre no se utilizan comúnmente para el aterramiento debido a su costo significativamente más alto en comparación con las alternativas de GI. Esta rentabilidad hace que los materiales de GI sean la elección preferida para la mayoría de las aplicaciones prácticas de aterramiento.
Aterramiento a Través de las Tuberías de Agua
El aterramiento a través de las tuberías de agua es otro método para establecer una conexión eléctrica con la tierra. En este enfoque, un cable de GI o cobre se conecta a las tuberías de agua. La conexión se asegura utilizando alambre de acero, que se fija a un conductor de cobre. Este método aprovecha la extensa red metálica de las tuberías de agua, que generalmente tienen un buen contacto con el suelo, para proporcionar un camino de baja resistencia para la corriente eléctrica en caso de falla. Sin embargo, este método de aterramiento debe cumplir con las regulaciones de seguridad y códigos de fontanería relevantes para garantizar tanto la seguridad eléctrica como la integridad del sistema de suministro de agua.

Las tuberías de agua generalmente están construidas de metal y están enterradas bajo la superficie del suelo, estableciendo efectivamente una conexión directa con la tierra. En caso de falla, la corriente que fluye a través del cable de hierro galvanizado (GI) o cobre utilizado para el aterramiento se canaliza directamente hacia la tierra a través de la tubería de agua. Esto proporciona un camino conveniente y a menudo efectivo para disipar las corrientes de falla, aprovechando la extensa red subterránea de la tubería de agua y su inherente conductividad como estructura metálica.