Medición de la resistencia de la toma de tierra

¿Cómo y por qué hacerlo?

Este tipo de instalaciones eléctricas limitan la tensión, brindan una ruta segura de circulación para eventuales descargas atmosféricas y ofrecen una tensión nula de referencia, pero ¿cómo instalarlo? y ¿cómo lo medimos?

Medición de la Resistencia de la toma de tierra en plantas industriales y edificios.

En un principio debemos definir ¿qué es la puesta a tierra de una instalación?; pues bien es la unión eléctrica directa, mediante conductores eléctricos sin fusibles ni protección alguna, de una parte del circuito eléctrico y/o de las partes conductoras no perteneciente al mismo, a una toma de tierra constituida por un electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo, éste sistema ayuda a evitar que aparezcan diferencias de potencial peligrosas en las masas metálicas de la instalación, y permite el paso a tierra de las corrientes de fuga de los receptores electrónicos, así como de las altas corrientes de descarga de origen atmosférico.

Para asegurar la fiabilidad permanente de los sistemas de puesta a tierra, existen distintos estándares de ingeniería y normas nacionales que definen los correspondientes procedimientos de mantenimiento de las tomas de tierra.
¿Por qué conectar a tierra?

Este tipo de instalaciones eléctricas cumplen con tres propósitos básicos:

1.  Limitan la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar en un momento dado las masas metálicas de la instalación (protección frente a contactos indirectos). Para ello, derivan a tierra las correspondientes corrientes de defecto.

2.  Proveen una ruta segura de circulación a tierra de las eventuales descargas atmosféricas, y de las corrientes de fuga de los receptores electrónicos.

3.  Ofrecen una tensión nula de referencia para los receptores electrónicos de la propia instalación, así como para las señales de datos que sirven para comunicar los equipos informáticos.

Según el REBT 2002, para la toma de tierra se pueden utilizar electrodos formados por:

·      Barras, tubos

·      Anillos o mallas metálicas constituidas por los elementos anteriores o sus combinaciones

·      Armaduras de hormigón enterradas; con excepción de las armaduras pretensadas

·      Placas

·      Pletinas, conductores desnudos

·      Otras estructuras enterradas que se demuestre que son apropiadas.

El tipo y la profundidad de enterramiento de las tomas de tierra deben ser tales que la posible pérdida de humedad del suelo, la presencia de hielo u otros efectos climáticos, no aumenten la resistencia de la toma de tierra por encima del valor previsto.

La profundidad nunca será inferior a 0.50 m. Debe preverse sobre los conductores de tierra y en un lugar accesible, un dispositivo que permita medir la resistencia de la toma de tierra correspondiente. Éste dispositivo puede estar combinado con el borne principal de tierra, debe ser desmontable necesariamente por medio de un útil, tiene que ser mecánicamente seguro y debe asegurar la continuidad eléctrica.

Resistencia de la toma de tierra

La resistencia de la toma de tierra depende de dos factores: la resistividad del terreno circundante y la estructura del electrodo.

Ahora bien ¿qué es la resistividad? es una propiedad que poseen todos los materiales y que define su capacidad para conducir la corriente.

La determinación de la resistividad del terreno es una tarea complicada por los siguientes factores:

·    De la composición del suelo (arcilla, grava y arena).

· Puede variar incluso en pequeñas distancias debido a la mezcla de diferentes materiales.

·   Depende del contenido mineral (por ejemplo, sales).

· Varía con la compresión y puede cambiar con el tiempo debido a la sedimentación.

· Cambia con las temperaturas y por lo tanto, con la época del año. La resistividad aumenta cuando disminuye la temperatura.

· Puede verse afectada por depósitos de metal enterrados, tuberías, refuerzos de acero para hormigón, etc.

·   Varía con la profundidad.

Puesto que la resistividad puede disminuir con la profundidad, una forma de reducir la impedancia de la toma de tierra es colocar el electrodo a mayor profundidad. Otros métodos comunes para aumentar la eficacia de un electrodo son el uso de una serie de picas, un anillo conductor o una malla.

En el caso de varias picas, para aumentar la eficacia, cada pica debe encontrarse fuera del “área de influencia” de las demás.

Como regla general, las picas deben respetar una separación superior a su longitud, siendo recomendable que sea de al menos dos veces su longitud. Por ejemplo, las varillas de 2,5 m se deben separar más de 5 m para alcanzar el grado óptimo de eficacia.

Existen, de nuevo, distintas normas que definen diferentes límites aceptables para la impedancia del electrodo. En España, la Guía Técnica de Aplicación GUIA-BT-Anexo 4 “Instalaciones interiores en viviendas. Prescripciones generales de instalación” recomienda una resistencia de la toma de tierra inferior a 15 ohmios en edificios con pararrayos, e inferior a 37 ohmios en edificios sin pararrayos. Por otra parte, la normativa que aplica a las Infraestructuras Técnicas de comunicaciones obliga a que el valor de la toma de tierra en estas instalaciones sea inferior a 10 ohmios. En Estados Unidos, la NEC, Nacional Electrical Code, especifica 25 ohmios como límite aceptable para la impedancia de la puesta a tierra. Por terminar de dar referencias, la norma IEEE 142 “Prácticas recomendadas para la conexión a tierra de sistemas eléctricos industriales y comerciales” sugiere una resistencia de la toma de tierra entre 1 y 5 ohmios para sistemas comerciales o industriales de gran tamaño. Nota: los sistemas de distribución eléctrica suministran corriente alterna e, igualmente, los medidores de resistencia de tierra utilizan corriente alterna para las comprobaciones. Por lo tanto, podría parecer que lo importante es la impedancia y no la resistencia. Sin embargo, en las frecuencias de las líneas eléctricas, la componente resistiva de la impedancia de la tierra suele ser bastante mayor que la componente reactiva. Por esta razón, los términos impedancia y resistencia se utilizan en el texto casi de manera intercambiable.

¿Cómo funcionan los medidores de impedancia de tierra?

Existen dos tipos de medidores de impedancia de tierra:

1.     Medidores de resistencia de tierra de tres y cuatro hilos también llamados telurómetros o terrómetros

2.     Pinzas de medida de la impedancia de bucle de tierra.

Ambos tipos aplican una tensión al electrodo y miden la corriente resultante. Los medidores de resistencia de tierra a tres o cuatro hilos combinan una fuente de corriente y un medidor de tensión, y requieren el uso de picas o pinzas. Presentan las siguientes características:

·     Utilizan corriente alterna para la prueba, pues la tierra no conduce bien la corriente continua

·     Utilizan una frecuencia próxima, pero distinta, a la frecuencia de red (50 Hz) y sus armónicos. De esta forma, se evita que las corrientes fantasmas o procedentes de otras fuentes interfieran con las medidas de impedancia de tierra.

·  Los medidores de 4 hilos disponen de cables de generación y medida independientes para compensar la resistencia eléctrica de los propios cables método de medida de resistencia a 4 hilos. Este método permite eliminar de la medida de la impedancia de tierra el valor de la resistencia óhmica de los cables de prueba pues, en ocasiones, por tener una elevada longitud, presentan una apreciable resistencia eléctrica.

·   Tienen un filtro de entrada diseñado para captar su propia señal y rechazar todas las demás.

Las pinzas de medida de bucle de tierra tienen el aspecto de una pinza amperimétrica, pero internamente son muy diferentes ya que cuentan con un transformador de generación y un transformador de medida.

El transformador de generación impone una tensión en el lazo que se está ensayando y el transformador de medida mide la corriente resultante. Estas pinzas utilizan un filtrado avanzado para reconocer su propia señal y rechazar todas las demás.

Seguridad en las comprobaciones de resistencia a tierra

Al realizar las conexiones, se deben utilizar siempre guantes aislantes, protecciones para los ojos y cualquier otro equipo de protección personal apropiado. No es seguro asumir que un electrodo de conexión a tierra tiene cero voltios o cero amperios, por las razones que se indican más adelante.

La medida de la resistencia de la toma de tierra por el método de la caída de potencial implica la desconexión del electrodo de tierra del sistema de toma de tierra de la instalación. Para ello, se accederá al borne principal de tierra. Durante la prueba, la instalación eléctrica queda entonces temporalmente sin toma de tierra. El método selectivo no requiere la desconexión del electrodo.

Una avería en el sistema de puesta a tierra de la instalación eléctrica, o en sus protecciones diferenciales, puede originar una corriente permanente importante a lo largo del mismo. Por ello, se debe utilizar una pinza amperimétrica para comprobar la existencia de corriente en el conductor de tierra (ver imagen 1 de esta nota) antes de realizar la medida. Si la medida es superior a 1 amperio, es necesario encontrar el origen de la corriente antes de continuar.

Si fuese necesario desconectar uno de los electrodos del sistema, esta operación se deberá realizar siempre que sea posible durante una interrupción por mantenimiento o similar donde se corte el suministro de energía para poder evitar posibles corrientes circulantes.

MÉTODOS PARA MEDIR IMPEDANCIAS DE PUESTA A TIERRA

 

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad de la roca, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación, planta generadora o transmisora en radiofrecuencia. Asimismo puede ser empleada para indicar el grado de corrosión de tuberías subterráneas.

En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es un requisito para obtener la resistencia de los electrodos a tierra.

Las conexiones de puesta a tierra en general poseen impedancia compleja, teniendo componentes inductivas, capacitivas y resistivas, todas las cuales afectan las cualidades de conducción de la corriente.

Las resistencias de la conexión son de particular interés en los sistemas de transmisión de energía (bajas frecuencias), debido a la conexión. Por el contrario, los valores de capacitancia e inductancia son de particular interés en altas frecuencias como en comunicaciones de radio y descargas atmosféricas.

Además de lo anteriormente expuesto, las mediciones de puesta a tierra se hacen para:

·      Proteger efectivamente los sistemas contra los efectos de las descargas atmosféricas.

·      Proporcionar un medio para disipar la corriente eléctrica en la tierra bajo condicione normales o de corto circuito, sin exceder ningún limite operacional de los equipos o suspender la continuidad del servicio.

·      Minimizar la interferencia de los circuitos eléctricos de transmisión y distribución con los sistemas de comunicación y control.

 

PRINCIPIOS Y MÉTODOS DE PUESTA A TIERRA.

Dentro de los propósitos principales para los cuales se determinan los valores de impedancia de puesta a tierra están:

·      Determinar la impedancia actual de las conexiones de puesta a tierra.

·  Como control y verificación los cálculos en el diseño de sistemas de distribución de puesta a tierra.

·      La adecuación de una puesta a tierra para transmisión de radiofrecuencia.

·  La adecuación de la puesta a tierra para protección contra descargas atmosféricas.

·  Asegurar, mediante el diseño apropiado de la puesta a tierra, el buen funcionamiento de los equipos de protección.

A la par de la resistencia de valor óhmico (activa), existe una componente reactiva que hay que tener en cuenta cuando el valor óhmico es menor a 0.5 W , pero es despreciable cuando el valor óhmico es mayor a 1 W .

La resistencia de toma de tierra es, prácticamente, la resistencia del volumen del material del terreno que rodea el elemento de la toma hasta una distancia aproximada 5 m. Las mediciones de tierra deben realizarse, no solo durante la energización, sino periódicamente para determinar las posibles variaciones.

La medición de resistencia a tierra de electrodos es una técnica que requiere conocer aparte del método de medición, algunos factores que afectan los resultados de las mediciones, y que son:

·      El tipo de prueba.

·      El tipo de aparato empleado.

·      El lugar físico de las puntas de prueba

 

TIPO DE PRUEBA

Existen dos tipos de pruebas fundamentalmente. Las demás son variaciones de éstas. Aunque muy parecidas, los resultados de las mediciones no son exactamente los mismos. Los métodos son:

a. Método de caída de potencial. Llamado también: Tres Puntos, 62%, etc.

b. Método Directo. También conocido como: Dos Puntos. No reconocido en la NOM-001-SEMP-1994

 

TIPO DE APARATO.

No todos los aparatos de medición de resistencia a tierra trabajan de la misma manera. Existen diferencias muy marcadas en el tipo de corriente empleada. A manera de ilustrar estas diferencias, los aparatos más utilizados en nuestro medio son el Vibroground y el Megger de tierras. Ambos emplean corriente alterna para la medición pero el primero a una frecuencia de 25 Hz, el último a 133 Hz. Y los voltajes en circuito abierto son respectivamente de 120 y 22 Volts.

 

LUGAR FISICO

Las varillas electrodos de los instrumentos de medición pueden ser colocadas en todas direcciones como a una infinidad de distancias entre ellas. Aunque es el mismo punto de medida, las lecturas no son idénticas; a veces ni en terrenos vírgenes debido a la presencia de corrientes de agua o de capas de distinta resistividad. En los terrenos industriales es aún mayor la diferencia debido a la presencia de objetos metálicos enterrados como tuberías, varillas de construcción, rieles, canalizaciones eléctricas, etc.

Todos los resultados son aproximados y se requiere cuidado tanto con el equipo de prueba como con la selección de los puntos de referencia de la puesta a tierra. Dentro de los métodos para la medición de las impedancias de puesta a tierra se conocen los siguientes:

·      Método de la tierra conocida.

·      Método de los tres puntos.

·      Método de la caída de potencial.

·      Método de la relación.

A continuación cada uno de estos métodos es expuesto con sus ventajas y desventajas.

 

MÉTODO DE LA TIERRA CONOCIDA.

Este método consiste en encontrar la resistencia combinada entre el electrodo a probar y uno de resistencia despreciable.

Figura 1. Método de la tierra conocida.

En este método se hace circular una corriente entre las dos tomas de tierra, esta corriente se distribuye en forma similar a las líneas de fuerza entre polos magnéticos. El inconveniente de este método es encontrar los electrodos de resistencia conocida y los de resistencia despreciable.

 

MÉTODO DE LOS TRES PUNTOS O TRIANGULACIÓN.

Consiste en enterrar tres electrodos (A, B, X), se disponen en forma de triángulo, tal como se muestra en la figura 2, y medir la resistencia combinada de cada par: X+A, X+B, A+B, siendo X la resistencia de puesta a tierra buscada y A y B las resistencias de los otros dos electrodos conocidas.

Figura 2 . Método de las tres puntas.

Las resistencias en serie de cada par de puntos de la puesta a tierra en el triángulo será determinada por la medida de voltaje y corriente a través de la resistencia. Así quedan determinadas las siguientes ecuaciones:

R1= X+A

R2= X+B

R3= A+B

De donde

X= (R1+R2-R3)/2

Este método es conveniente para medidas de resistencias de las bases de las torres, tierras aisladas con varilla o puesta a tierra de pequeñas instalaciones. No es conveniente para medidas de resistencia bajas como las de mallas de puesta a tierra de subestaciones grandes. El principal problema de este método es que A y B pueden ser demasiado grandes comparadas con X (A y B no pueden superar a 5X), resultando poco confiable el cálculo.

 

MÉTODO DE LA CAIDA DE POTENCIAL.

                             Figura 3. Método de la caída de potencial.

Es el método mas empleado, los electrodos son dispuestos como lo muestra la figura 3; E es el electrodo de tierra con resistencia desconocida; P y C son los electrodos auxiliares colocados a una distancia adecuada (). Una corriente (I) conocida se hace circular a través de la tierra, entrando por el electrodo E y saliendo por el electrodo C. La medida de potencial entre los electrodos E y P se toma como el voltaje V para hallar la resistencia desconocida por medio de la relación V/I.

La resistencia de los electrodos auxiliares se desprecia, porque la resistencia del electrodo C no tiene determinación de la caída de potencial V. La corriente I una vez determinada se comporta como contante. La resistencia del electrodo P, hace parte de un circuito de alta impedancia y su efecto se puede despreciar.

 

MÉTODO DE LA RELACIÓN.

En este método la resistencia a medir, es comparada con una resistencia conocida, comúnmente usando la misma configuración del electrodo como en el método de la caída de potencial. Puesto que este es un método de comparación, las resistencias son independientes de la magnitud de corriente de prueba.

La resistencia en serie R de la tierra bajo prueba y una punta de prueba, se mide por medio de un puente el cual opera bajo el principio de balance a cero

LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA.

Es de consideración importantísima que el valor de la resistencia de puesta a tierra tenga un valor bajo, con el fin de que ofrezca un fácil camino conductor para las corrientes que se desea drenar por ella. Cuando se habla de “un valor bajo”, se habla de valores establecidos por las normas más usadas: menos de 25 ohms para la generalidad de los casos, y menos de 5 ohm para el caso de equipo sensible.

Es entonces necesario que se conozca algún método para medir la resistencia de la puesta a tierra.

Medición de la resistencia.

Para la medición de la resistencia de tierra, hoy día existen aparatos especializados, que toman las medidas y determinan los valores de resistencia. Pero de todas maneras, las mediciones se basan en dos métodos:

ü  Caída de potencial (3 hilos). Se lleva a cabo desconectando el electrodo de puesta a tierra. A una distancia relativamente grande (unos 15 m) se clava una pica de medición, llamada pica interna. Alineada con el electrodo de puesta a tierra y la pica interna, y a 15 metros adicionales de distancia, se clava otra pica de medición adicional, llamada pica externa. El aparato de medición aplica una corriente entre el electrodo de puesta a tierra y la pica externa, y mide la diferencia de potencial entre el electrodo de puesta a tierra y la pica interna. Este voltaje dividido entre la corriente (cálculo que muchos aparatos hacen automáticamente) proporciona la resistencia de puesta a tierra con un 90 de confiabilidad.

ü  Comprobación selectiva (4 hilos). La misma configuración de electrodo de puesta a tierra y dos picas de medición, pero agregando un hilo que lleva una pinza amperimétrica. Esta pinza se coloca alrededor del cable que va al electrodo de puesta a tierra, cable que no hay que desconectar. Esta configuración mide la corriente en el propio electrodo, lo que da una medida más confiable.