Puesta a Tierra de Instalaciones Eléctricas

7/28/2019 Puesta a Tierra de Instalaciones Elctricas

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PUESTA A TIERRA DEINSTALACIONES ELCTRICAS

Rogelio Garca Mrquez

Alfaomega marcombo


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Edicin original publicada por MARCOMBO, S. A., Barcelona, EspaaISBN: 84-267-0799-8 Derechos reservados

1999 ALFAOMEGA GRIPO EDITOR, S.A. de C.V.Pitgoras 1139, Col. Del Valle 03100, Mxico, D.F.

Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Registro No. 2317

ISBN 970-15-0486-0

Derechos reservados.Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicacin en lengua espaola han sidolegalmente transferidos al editor. Prohibida su reproduccin parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright.

Edicin autorizada para venta en Mxico, Colombia, Ecuador, Per, Bolivia, Venezuela, Chile, Centroamrica, EstadosUnidos y el Caribe.

Impreso en Colombia - Printed in Colombia


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Presentacin

Las Instrucciones Tcnicas Complementarias (ITC) del Reglamento sobre Condiciones Tcnicas yGarantas de Seguridad en Centrales Elctricas, Subestaciones y Centros de Transformacinconocido, abreviadamente, como Reglamento A.T. , fueron aprobadas con la denominacin MIERAT,

en nmero de 20, por la Orden Ministerial del 6 de julio de 1984.Quizs una de las ms extensas y sujetas a controversia es la MIE-RAT 13, que versa sobre lasInstalaciones de Puesta a Tierra, bajo la ptica fundamental de que el diseo de las mismas minimice,al mximo, el riesgo de accidente para las personas.

No es pretensin de esta publicacin constituir un manual de diseo de ese tipo de instalaciones pues,en general, su clculo, complejo y extenso en muchos casos, debe realizarse con ayuda delordenador. El lector interesado en esa problemtica, sin duda encontrar, en alguna de las obrasrelacionadas en la abundante bibliografa que se proporciona, la respuesta o solucin a su casoparticular.

EI enfoque que se ha dado a este libro -dirigido, principalmente, a los Ingenieros y Tcnicos conresponsabilidad en el proyecto, construccin y mantenimiento de instalaciones elctricas- es el deresponder a las preguntas que, necesariamente, surgen al imponerse del contenido de la RAT 13 yaclarar expresiones, conceptos, pasajes y procedimientos que, debido al propio carcter legislativo delReglamento, estn simplemente enunciados en l, con escasa extensin pero que, no obstante, sonlos que originan las mayores confusiones y polmicas, habindose limitado a tabular y resumir aquellos otros apartados de la ITC, meramente descriptivos, que aparecen claramente comprensiblesdespus de una primera lectura.

Cada captulo va precedido de una breve explicacin, a guisa de sinopsis, enunciando el tema que enl se desarrolla y su posible relacin secuencia) con otros, tambin tratados en la obra.

Los nmeros que se encontrarn entre corchetes, [ ], corresponden al cardinal asignado a labibliografa principalmente utilizada en su redaccin y que, en unin de otros ttulos estrechamenterelacionados con esta temtica, se relacionan al final.

Tambin, a lo largo del texto, se comenta y justifica la razn de las modificaciones que public laOrden del 27 de noviembre en 1.987, actualizando la mencionada ITC MIE-RAT 13.

El autor


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ndice generalPRESENTACIN ...................................................................................................................... 3

INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA .............................................................................. 7Qu es una instalacin de puesta a tierra? ................................................................ 7Funciones y objetivos bsicos de una instalacin depuesta a tierra ...............................................................................................................8

RESISTIVIDAD DEL TERRENO................................................................................................ 11Naturaleza de la resistencia de los electrodos depuesta a tierra ...............................................................................................................11Su dependencia de las caractersticas del terreno ...................................................... 13Factores que influyen en la resistividad del terreno ..................................................... 13Composicin del terreno ............................................................................................... 14Sales solubles y su concentracin ............................................................................... 15

Estado higromtrico del terreno ................................................................................... 16Temperatura ................................................................................................................. 16Granulometra ............................................................................................................... 17Compacidad ................................................................................................................. 17Estratigrafa .................................................................................................................. 18Otros factores ............................................................................................................... 18

a) Gradientes de potencial elevado ................................................................. 18b) Calentamiento del suelo por la circulacin de

corrientes elevadas ...................................................................................... 19

POTENCIALES Y GRADIENTES ............................................................................................. 20Circulacin de corrientes por el suelo ........................................................................... 20Reparto de potenciales en una red de tierra conretorno de corriente en el infinito .................................................................................. 21Reparto de potenciales en una red de tierra conretorno de corriente por otra ......................................................................................... 24Deformacin de las superficies equipotenciales enun terreno heterogneo ................................................................................................ 25

MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO .................................................................... 28Introduccin .................................................................................................................. 28Mtodos de medida ...................................................................................................... 28Mtodo de los cuatro electrodos .................................................................................. 29Mtodo de Wenner ....................................................................................................... 31Nocin de la profundidad de investigacin ................................................................... 31Eleccin de la profundidad de investigacin ................................................................ 32Consideraciones sobre las medidas de la resistividad ................................................ 34Interpretacin de los resultados ................................................................................... 35Elementos necesarios para efectuar las mediciones ................................................... 36

TENSIONES DE PAS Y CONTACTO .................................................................................... 37Magnitudes elctricas que caracterizan una puesta a tierra......................................... 37Evaluacin de las tensiones locales alrededor delas tomas de tierra o de estructuras puestas a tierra ................................................... 38Tensin de paso ........................................................................................................... 38Tensin de contacto ..................................................................................................... 40Tensiones comunicadas al suelo en lugares alejados ................................................. 41Tensiones de paso y contacto aplicadas ..................................................................... 42


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EFECTOS FISIOLGICOS DE LA CORRIENTE ELCTRICA ............................................... 44Umbral de sensibilidad ................................................................................................. 44Umbral de no soltar ...................................................................................................... 45

Muerte aparente ........................................................................................................... 45Fibrilacin ventricular y su umbral ................................................................................ 46Parmetros de que depende ........................................................................................ 46

a) La trayectoria seguida por la corriente ........................................................ 47b) El valor de la resistencia del organismo ...................................................... 48c) El tiempo de paso y amplitud de la corriente .............................................. 52

Influencia de la frecuencia de la corriente .................................................................... 54Concomitancia de sucesos para originar riesgo de accidente...................................... 55

CRITERIOS DE SEGURIDAD FIJADOS POR LA REGLAMENTACIN ESPAOLA ............ 56Tensiones mximas aplicables al cuerpo humano ...................................................... 56Mximas tensiones de paso y contacto admisibles en la instalacin ........................... 58Circuitos equivalentes para las diferencias de potencialde paso y contacto; justificacin de las frmulas propuestas . ..................................... 59Tensin de paso ........................................................................................................... 59Tensin de contacto ..................................................................................................... 61Comprobacin de las mximas tensiones de paso y contactoadmisibles en la instalacin .......................................................................................... 63Tensin de paso en el acceso ...................................................................................... 63

INTENSIDADES DE EFECTO .................................................................................................. 65Determinacin de las intensidades de defecto ............................................................. 65Etapas que comprende ................................................................................................ 66Tipos de falta a tierra .................................................................................................... 66Componente alterna simtrica de la corriente atierra en el inicio de la falta ........................................................................................... 67Efecto de la componente de corriente continua. Factor dedecremento ................................................................................................................... 68Efecto de futuras ampliaciones .................................................................................... 70Otros factores a tener en cuenta .................................................................................. 70Efecto de la resistencia de tierra de la instalacin ....................................................... 70Efecto de la resistencia de defecto .............................................................................. 70Efectos de los cables de tierra areos ......................................................................... 71Caso de instalaciones de 3.a categora ....................................................................... 71Neutro aislado .............................................................................................................. 72Neutro a tierra ...............................................................................................................73Valor mximo de la resistencia de puesta a tierra eninstalaciones de 3. a categora ...................................................................................... 74Su determinacin .......................................................................................................... 75Tiempo mximo de eliminacin del defecto ................................................................. 76

DISEO PRELIMINAR DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ............................................. 79Prescripciones sobre los elementos que constituyen lasinstalaciones de puesta a tierra .................................................................................... 79Lneas de tierra ............................................................................................................. 79Electrodos de puesta a tierra; dimensiones ................................................................. 80

Algunos detalles prcticos ............................................................................................ 85Picas ............................................................................................................................. 85Conductores horizontales enterrados .......................................................................... 85Redes malladas de conductores enterrados ................................................................ 85Indicaciones sobre la eleccin de los tipos deelectrodos de tierra ....................................................................................................... 85


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CLCULO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ................................................................. 87Resistencia de puesta a tierra, potenciales y gradientes ............................................. 87Imprecisin del clculo prctico de las tomas de tierra ................................................ 87

Propiedades generales de las puestas a tierra ............................................................ 89COMPROBACIONES Y CORRECCIONES .............................................................................. 91

Comprobacin de las tensiones de paso y contacto .................................................... 91Investigacin de las tensiones transferibles al exterior ................................................ 93Correccin y ajuste del diseo inicial, estableciendoel definitivo .................................................................................................................... 94Resumen del procedimiento de diseo ........................................................................ 96

INSTALACIN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA .......................................................... 97Instalacin de lneas de tierra ...................................................................................... 97Instalacin de electrodos .............................................................................................. 97Procedimientos de conexin de los elementos de la red de tierras ............................. 98Disposiciones particulares de puesta a tierra ............................................................... 99Elementos de la construccin ...................................................................................... 99Estructuras metlicas que constituyen o franqueanel lmite de una instalacin elctrica ............................................................................. 99Vallas y cercas metlicas ............................................................................................. 99Puertas de acceso ........................................................................................................ 100Rales ............................................................................................................................ 100Medidas a adoptar en condiciones difciles de puesta a tierra ..................................... 101

TIERRAS NICAS O SEPARADAS? ..................................................................................... 104Puesta a tierra de proteccin ........................................................................................ 104Puesta a tierra de servicio ............................................................................................ 105Interconexin de las tomas de tierra ............................................................................ 105Separacin de la puesta a tierra del neutro de b.t.de la general del Centro ............................................................................................... 106 Aislamiento entre las instalaciones de tierra ................................................................ 107Resistencia de la puesta a tierra del neutro ................................................................. 108Sistema nico de tierras ............................................................................................... 108Puesta a tierra en Centros de Transformacin conectadosa redes de cables subterrneos ................................................................................... 109

MEDICIONES ............................................................................................................................ 110Medida de la resistencia de tierra ................................................................................ 110Introduccin .................................................................................................................. 110Mtodo de la cada de potencial .................................................................................. 111Medida de la resistencia de una toma de tierra puntual .............................................. 113Medida de la resistencia de una red de tierras extensa ............................................... 114

Generalidades ............................................................................................................... 114Mtodos por inyeccin de corriente ............................................................................. 114Procedimiento de medida y precauciones a tomar ...................................................... 115Medicin de las tensiones de paso y contacto aplicadas ............................................ 116Relacin entre la resistencia de puesta a tierra y las tensiones de paso y contacto.... 117

Aplicacin del mtodo de inversin de polaridad en laobtencin de los valores aplicados de las tensiones de paso y contacto .................... 118

Acerca de los electrodos de medida ............................................................................ 118Metodologa de la medicin de las tensiones de paso y contacto aplicadas ............... 120

BIBLIOGRAFA .......................................................................................................................... 124


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Captulo I Instalaciones de puesta a tierra

Rogelio Garca Mrquez La Puesta A Tierra de Instalaciones Elctricas7

Instalaciones de puesta a tierra [1] y [2]

La temtica de la puesta a tierra permite enfoques muy variados. El que se ha elegido en estapublicacin pretende ir introduciendo al lector, de forma paulatina y natural, en esa materia, tratandode arrancar desde el origen de la "madeja".

No ha de sorprender, por tanto, que el orden seguido en la exposicin no concuerde con el presentadoen la ITC MIE RAT 13 que, al margen de ser, bsicamente, un documento legislativo, estestructurada pensando que el destinatario es un especialista en esa problemtica o, al menos, queposee todos los conocimientos previos que su comprensin requiere.

No obstante y pese a que se ha seguido el planteamiento expuesto, confiriendo a cada captulo uncarcter casi monogrfico, en alguna ocasin y debido a las interrelaciones existentes, debernhacerse inevitables referencias a conceptos que se desarrollan en partes ms avanzadas del libro outilizar resultados que se obtienen posteriormente.

QUE ES UNA INSTALACIN DE PUESTA A TIERRA?

La unin elctrica, con la tierra, de una parte de un circuito elctrico o de una parte conductora noperteneciente al mismo, se efecta mediante una instalacin depuesta a tierra que, segn puedeleerse en la ITC MIE RAT 01, Terminologa, es "el conjunto formado por electrodos y lneas de tierrade una instalacin elctrica" y, tambin, en el apartado 3 de la propia RAT 13:

"Las instalaciones de puesta a tierra estarn constituidas por uno o varios electrodos enterrados y por las lneas de tierra que conecten dichos electrodos a los elementos que deban quedar puestos atierra".

Otros elementos menos significativos de la instalacin de puesta a tierra, tales como:

- los puntos de puesta a tierra y- las lneas de enlace con el electrodo de tierra tambin deberan considerarse, si se desea

tener una visin completa de la red de puesta a tierra, conforme se muestra, de manera

esquemtica, en la figura 1.

Sobre el primer elemento, el mismo apartado de la RAT 13 aade que: "En las lneas de tierradebern existir los suficientes puntos de puesta a tierra que faciliten las medidas de comprobacionesdel estado de los electrodos y la conexin a tierra de la instalacin".Las definiciones de todas las partes integrantes, tal como las recoge la mencionada RAT 01, sereproducen al fina de la pgina.

Obsrvese que, segn que est aislada o no del terreno, la parte de la lnea de tierra comprendidaentre un punto de puesta a tierra y el electrodo de puesta a tierra, constituir la lnea de enlace opasar a formar parte del mismo.


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FUNCIONES Y OBJETIVOS BSICOS DE UNA INSTALACIN DE PUESTA ATIERRA

La funcin de la puesta a tierra (p.a.t) de una instalacin elctrica es la de forzar la derivacin, alterreno, de las intensidades de corriente, de cualquier naturaleza que se puedan originar, ya se tratede corrientes de defecto, bajo frecuencia industrial, o debidas a descargas atmosfricas, de carcter impulsional.

Con ello, se logra:

- Limitar la diferencia de potencial que, en un momento dado, puede presentarse entreestructuras metlicas y tierra,

- Posibilitar la deteccin de defectos a tierra y asegurar la actuacin y coordinacin de lasprotecciones, eliminando o disminuyendo, as, el riesgo que supone una avera para elmaterial utilizado y las personas.

- Limitaras sobretensiones internas (de maniobra -transitorias- y temporales) que puedan

aparecer en la red elctrica, en determinadas condiciones de explotacin.- Evitar que las tensiones de frente escarpado que originan las descargas de los rayosprovoquen "cebados inversos", en el caso de instalaciones de exterior y, particularmente, enlneas areas.

La circulacin de las intensidades mencionadas por la instalacin de puesta a tierra puede originar laaparicin de diferencias de potencial entre ciertos puntos, por ejemplo, entre la instalacin de p.a.t. yel terreno que la rodea o entre dos puntos del mismo, como se ver en el captulo siguiente, por cuyarazn debe concebirse la instalacin de puesta a tierra para que, incluso con la aparicin de lasdiferencias de potencial aludidas se cubran los siguientes objetivos:

Seguridad de las personas. Proteccin de las instalaciones.

Electrodo de (puesta a) tierra

Conductor o conjunto de conductores enterrado(s), que sirven para establecer unaconexin con tierra. Los conductores no aislados, colocados en contacto con tierra,para la conexin al electrodo, se considerarn parte de ste.

Lnea de tierra

Es el conductor o conjunto de conductores que une(n) el electrodo de tierra con unaparte de la instalacin que se haya de poner a tierra, siempre y cuando losconductores estn fuera del terreno o colocados en l pero aislados del mismo.

Punto de puesta a tierra

Es un punto, situado generalmente fuera del terreno, que sirve de unin de las lneasde tierra con el electrodo, directamente o a travs de lneas de enlace con l.

Lnea de enlace con el electrodo de (puesta a) tierra

Cuando existiera punto de puesta a tierra, se denomina lnea de enlace con elelectrodo de tierra a la parte de la lnea de tierra comprendida entre el punto de

puesta a tierra y el electrodo, siempre que el conductor est fuera del terreno ocolocado aislado del mismo.


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Mejora de la calidad de servicio. Establecimiento y permanecia de un potencial de referencia.

Debe hacerse especial nfasis en que la seguridad de las personas es lo que verdaderamentepreocupa y se constituye en el fin primordial de la instalacin de puesta a tierra, lo que no significa quese deje de reconocer la importancia de los otros tres objetivos.

Figura 1. Esquema de unainstalacin de puesta a tierra y

partes que comprende.1. electrodo de (puesta a) tierra.2. lnea de tierra. 3. punto de

puesta a tierra. 4. lnea de enlacecon el electrodo de (puesta a)tierra.

Coincide lo expuesto con la interpretacin del legislador, que iniciaba la versin inicial de la MIE RAT13 de esta manera: "Toda instalacin elctrica deber disponer de una proteccin o instalacin detierra diseada en forma tal que, en ningn punto normalmente accesible del interior o exterior de lamisma donde las personas puedan circular o permanecer, exista el riesgo de que puedan estar sometidas a una tensin peligrosa durante cualquier defecto de la instalacin elctrica o en la redunida a ella".

Ello induce, equvocamente, a pensar en la posibilidad de una seguridad absoluta.

A este respecto, es oportuno recoger la afirmacin que, sobre el riesgo, contiene la IEEE Std.80. Sutraduccin dice as:

"Un somero anlisis mostrar que es absolutamente imposible, a menos que se abandone totalmentela distribucin de energa elctrica, prevenir en todo momento, en todo lugar y bajo todas lascircunstancias, la presencia de tensiones peligrosas. Sin embargo, este hecho no releva al ingenierode la responsabilidad de intentar disminuir esa probabilidad tanto como razonablemente se pueda.

Afortunadamente, en la mayora de los casos, mediante un diseo cuidadoso e inteligente esa

probabilidad puede reducirse a un valor extremadamente bajo".

En relacin con la seguridad de las personas, no se derivar ningn peligro para las mismas en unainstalacin de alta tensin cuando nunca puedan llegara "puentear" con su cuerpo dos puntos con unadiferencia de potencial capaz de establecer la circulacin de una intensidad de corriente con unaduracin tal que determine efectos fisiolgicos peligrosos.

Al hacer referencia a la accin del "puenteo" de dos puntos con el cuerpo, se est pensando en elcomportamiento profesional del personal actuante sobre la instalacin y en el que se podra llamarsecomportamiento normal de las personas ajenas a la instalacin o a su explotacin.

En este punto conviene, pues, remarcar que las puestas a tierra no garantizan la inocuidad de lasinstalaciones elctricas ante las incalculables conductas, reacciones anmalas, imprudencias y, an,


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despropsitos que las personas pueden llevar a cabo con respecto a una instalacin de alta tensin yque, por otro lado, incluso sern elementos coadyuvantes a aumentar la gravedad en caso deaccidentes por contactos directos.

Por todo ello, debe valorarse en su justa extensin la referencia del texto de la RAT a "ningn puntonormalmente accesible del interior o exterior" de la instalacin y hacer uso de ese criterio al disear las medidas preventivas, no debiendo esperar de una instalacin elctrica que resulte segura, frente acualquier actuacin sino, solamente, ante las normales de las personas.

En vista de lo que antecede, queda justificado el texto que, con las mnimas modificaciones delprimitivo, publica la Orden de 27 de Noviembre de 1987, ajustndose ms a la realidad de los hechos:"Toda instalacin elctrica deber disponer de una proteccin o instalacin de tierra diseada enforma tal que, en cualquier punto normalmente accesible del interior o exterior de la misma, donde laspersonas puedan circular o permanecer, estas queden sometidas, como mximo, a las tensiones depaso contacto (durante cualquier defecto en la instalacin elctrica o en la reunida a ella) que resultende la aplicacin de las frmulas que se recogen a continuacin".


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Captulo II Resistividad del Terreno


Resistividad del terreno [3], [4], [5] y [6]

Se responde al primer interrogante que, posiblemente, pueda apuntarse sobre qu es lo quecaracteriza una puesta a tierra elctrica, esto es, la naturaleza de la resistencia de los electrodos quela establecen, razonndose sobre la dependencia que, en grado sumo, tiene la resistividad del terrenoen la resistencia que presentan los mismos y la fuerte influencia que, sobre la resistividad, ejercen unaserie de factores.

NATURALEZA DE LA RESISTENCIA DE LOS ELECTRODOS DE PUESTA ATIERRA

En general, la resistencia total que presenta una instalacin de puesta a tierra est constituida por lasuma de las siguientes partes:

la resistencia del conductor (lnea de tierra y lnea de enlace con el electrodo) que conecta elelectrodo de tierra al sistema que debe ponerse a tierra,

la resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el terreno, la resistencia del suelo en el que est enterrado el electrodo.

La resistencia del conductor se puede determinar perfectamente por los procedimientos usuales. La

de contacto con el terreno es despreciable por su escaso valor y la parte ms significativa es lacorrespondiente al terreno que rodea al electrodo.

A este respecto, debe sealarse la escasa importancia de la baja resistividad de los materialesutilizados como electrodos frente a la que posee el terreno. En efecto, si se trata de cobre, presentauna resistividad de:

( )

=

mmm

581

Cu2

20o

==m

m

1058

1

mm10

1m

m

mm

58

1 2626

22

mientras que para un terreno excelente, en circunstancias favorables, rara vez podr alcanzarse unaterreno = 1 m 2/m es decir que, en el mejor de los casos, posee una resistividad 58 millones de vecesmayor que la del cobre, circunstancia a veces no tenida en cuenta y por cuya razn poco importa,desde el punto de vista de la resistividad, el metal utilizado como electrodo.

En cuanto a la resistencia que presenta el terreno es funcin de la resistividad del mismo y de lasdimensiones y forma del electrodo y aunque, pese a ello, se considere la tierra como un conductor deilimitada conductancia, por sus grandes dimensiones, no puede asumirse, por extensin, que Iasconexiones que a ella se efecten mediante electrodos conseguidas de una forma bien distinta dela que es habitual entre conductores, al faltar aqu la presin externa entre los dos medios ainterconectar tenga esa misma propiedad, ya que cualquiera que sea la forma que presenten,


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ofrecern una resistencia definida al paso de la corriente y, en muchos casos, resultar difcil obtener una puesta a tierra de baja resistencia.

Nota:En relacin con las dimensiones de la resistividad del suelo, debe tenerse presente que es prcticausual "simplificar" sus unidades ( m2/m) e indicarla como m.

En ocasiones, tambin se utiliza el cm (en realidad, cm 2/cm), siendo la equivalencia entre ambas:

1 m=1000 cm

Expresada la resistividad del terreno, , en m, equivale a la resistencia que ofrece al paso de lacorriente un cubo de terreno de 1 m de arista, como se muestra en la figura 2.

Figura 2. La resistividad del terreno, , expresada en mequivale a la resistencia de uncubo de terreno, de 1 metrode arista.

La expresin general de la resistencia es:

s

l R =

Para el caso de la figura, ser:

( ) ( )( )2m1 m1= R

De donde:

( )mmm 2

=

= R R


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SU DEPENDENCIA DE LAS CARACTERSTICAS ELCTRICAS DEL TERRENO

Como se ha dicho, el valor de la resistencia de puesta a tierra -y tambin, como se ver ms adelante,

el reparto de potencial en el suelo cuando el sistema de puesta a tierra est recorrido por unaintensidad de defecto -tienen, fundamentalmente, como factor proporcional determinante la resistenciaespecfica o resistividad del terreno y del subsuelo en el que est enterrada. Es por esta razn que laconcepcin de una red de puesta a tierra requiere, inicialmente, el anlisis de la naturaleza del suelosobre el que vaya a realizarse y, en esa lnea, indica el Apdo. 2 de la RAT 13 la necesidad de talestudio como primer paso para realizar el proyecto de una instalacin de tierra.

Puede parecer que la investigacin de la naturaleza y de la estructura geolgica, para determinar lavariacin de la resistividad en funcin de la profundidad es ms propia de la geofsica pero no es as,pues si bien para calcular la resistencia de una toma de tierra puntual es suficiente el conocimiento delperfil de la resistividad aparente de un terreno, no sucede lo mismo en el caso de una malla de granextensin, como la de una subestacin, por ejemplo.

Una de las bases necesarias para determinar la configuracin de una red mallada que abarque unagran superficie es el conocimiento de la resistividad a diversas profundidades. En efecto, si bien lapresencia de filones profundos muy resistentes o muy conductores puede tener escasa influenciasobre la resistividad aparente del terreno, esas particularidades pueden ser capaces, no obstante, devariar notablemente la resistencia de la red de tierra que se establezca ms a flor de la superficie por la deformacin que provocan sobre los filetes de corriente. Sin embargo, las resistividades del terrenoen la superficie o en profundidad, raramente se conocen antes del establecimiento de las obras y esfrecuente que la realizacin de las redes de tierra sean las que aporten las primeras indicacionessobre la calidad de los terrenos cuando, en buena lgica, debera ser el proceso inverso el queprevaleciera.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Si bien los componentes ms importantes del terreno son, en estado seco, aislante (la slice, el xidode aluminio, etc.), su resistividad disminuye rpidamente en presencia de sales solubles y de lahumedad.

Por otro lado, la composicin de la tierra, incluso en un lugar determinado, es muy heterognea,presentndose capas, bolsas, depsitos, etc., tanto horizontal como verticalmente.

Las zonas superficiales en que se instalan las tomas de tierra tampoco son uniformes y, adems,estn afectadas fuertemente por los cambios climticos, lluvias y heladas.

Todo ello hace que la resistividad sea muy variable de un lugar a otro y pueda resumirse en que lamodifican, de manera muy notable, los siguientes factores del terreno:

La composicin. Las sales solubles y su concentracin. El estado higromtrico. La temperatura. La granulometra. La compacidad. La estratigrafa.


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Tabla 1

Composicin del terreno

La variacin de la resistividad segn la composicin del terreno es muy acusada, tropezndose con ladificultad de que las diferentes clases de terreno no estn delimitadas como para saber, de antemano,el valor de la resistividad en el punto elegido para efectuar la toma de tierra.

Sucede, incluso, que para una misma clase de terreno, situada en distintos parajes, la resistividadpuede ser sensiblemente diferente.

Los valores extremos que se encuentran en la prctica pueden variar de algunas decenas de a.m,para terrenos orgnicos y hmedos a una decena de miles de Sim para granitos secos.

La tabla 1, recogida de la ITC MI BT 039 muestra valores tpicos medios, mientras que la tabla 2,sacada de la MIE RAT 13, proporciona valores orientativos.

Tabla 2


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Sales solubles y su concentracin

Al ser aislantes los principales componentes del terreno, la conductividad del suelo es, esencialmente

de naturaleza electroltica, esto es, la conduccin de corriente tiene lugar, principalmente, a travs delelectrlito formado por las sales y el agua habitualmente contenida en el terreno.

En la figura 3 se refleja cmo la cantidad de sales disueltas afectan la resistividad, y en la 4 losdistintos efectos de sales diferentes.

Figura 3. La conductividad del sueloes funcin, principalmente, de laconcentracin del electrolito queconstituyen las sales al disolverse enel agua ocluida en el terreno. Puedeapreciarse cmo el porcentaje desales disueltas modifica su inversa,la resistividad.

Figura 4. A una temperaturadeterminada, la mayor o menor solubilidad, as como el grado dedisociacin del electrlito dependede los tipos de sales disueltas, que,en consecuencia, afectarn tambina la resistividad del terreno.


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Estado higromtrico del terreno

El contenido de agua o grado de humedad del terreno influye, de forma apreciable sobre su

resistividad. Su valor no es constante, ya que vara con el clima, poca del ao, naturaleza delsubsuelo, la profundidad considerada y la situacin del nivel fretico pero rara vez es nulo, incluso alreferirse a zonas desrticas.

A medida que el grado de humedad aumenta -cuyo principal efecto es disolver las sales solubles-, laresistividad disminuye con rapidez pero, a partir de cifras del orden del 15 % en peso, estadisminucin es mucho menos acusada, a causa de la prctica saturacin del terreno, tal como puedeverse en la figura 5.

Figura 5. El porcentaje dehumedad modifica laresistividad del suelo porque,en definitiva, es el agua y lassales en ella disueltas quienesfacilitan la conduccinelctrica. No obstante, suincidencia es mucho menosacusada al alcanzarse la

prctica saturacin del terreno,lo que sucede en torno a

porcentajes del orden de un15 %, en peso.

En relacin con este factor, se dice en el punto 4.3 de la RAT 13, transcripcin que no necesita deningn comentario:

"Cuando la humedad del terreno vare considerablemente de unas pocas del ao a otras, se tendr

en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra. Se podrn usar recubrimientos de gravas como ayuda para conservar la humedad del suelo".

Temperatura

La resistividad del terreno aumenta a medida que desciende la temperatura y ese aumento se acusamucho al alcanzarse los 0C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua enestado de congelacin, se va reduciendo el movimiento de los electrlitos -que, como se ha visto,influyen decisivamente en la resistividad del terreno-, elevndose ostensiblemente la misma, tal comose aprecia en la figura 6. Sobre este agente, se indica en la RAT 13 (4.4) :


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"AI alcanzar el suelo temperaturas inferiores a los 0 C aumenta mucho su resistividad. Por ello, enzonas con peligro de heladas los electrodos se enterrarn a una profundidad que no alcance esatemperatura o se tendr en cuenta esta circunstancia en el clculo.

y en el punto 3.5 , relativo a la instalacin de electrodos:

"Se deber tener presente la influencia de las heladas para determinar la profundidad de lainstalacin".

Figura 6. La temperatura, engeneral, incrementa la solubilidad de las sales en el a agua, por cuya razn disminuir laresistividad. Su descenso por debajo de los 0 C, aparte dereducir la solubilidad, origina lacongelacin de electrlito,dificultando notablemente laconduccin elctrica y ocasionando un importanteincremento de la resistividad.

Granulometra

Es un elemento importante que influye, a la vez, sobre la porosidad y el poder retenedor de humedady tambin sobre la calidad del contacto con los electrodos, incrementndose la resistividad con elmayor tamao de los granos. Esta es la razn de que el valor de la resistividad de la grava seasuperior al correspondiente a la arena y que el de sta supere al de la arcilla.

Los suelos de grano grueso (gravas, guijarros, etc.) se prestan mal al establecimiento de buenas

redes de tierra, circunstancia que se puede paliar rodeando la superficie de los electrodos de un ciertoespesor de tierra fina o de otro material relativamente conductor.

Compacidad

La resistividad se ve tambin afectada por el grado de compactacin del terreno, disminuyendo alaumentar ste.

En el punto 3.5, Instalacin de electrodos, de la MIE RAT 13 puede leerse:

"Se procurar utilizar las capas de tierra ms conductoras, hacindose la colocacin de electrodos conel mayor cuidado posible en cuanto a la compactacin del terreno".


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Estratigrafa

La resistividad total de un terreno es la resultante de las correspondientes a las diversas capas que lo

constituyan. Puede suceder que una sola capa presente una resistividad tan baja que la influencia delas dems sea imperceptible, tal como cuando se alcanzan zonas de agua o el nivel fretico.

Queda, pues, justificado que la resistividad de las capas superficiales de un terreno presentevariaciones estacionales bajo el efecto del hielo y de la sequedad (que la aumentan) o de la humedad(que la disminuye). Esta accin puede hacerse notar hasta una profundidad de varios metros, encondiciones climticas extremas y prolongadas.

Ser, por tanto, prudente tener en cuenta estas variaciones de resistividad en el establecimiento deuna red de tierras enterrada a una profundidad del orden de 1 metro.

Puede concluirse en que claramente se v que la resistividad del terreno es una magnitud variable yque el nico camino aceptable para conocer su valor consistir en medirla, lo que permitir establecer su magnitud en las condiciones existentes en cada caso.

OTROS FACTORES

La resistividad del suelo es, en ausencia de efectos secundarios, prcticamente independiente de laintensidad de la corriente que lo recorre, propiedad de la que se har uso ms adelante, en el captuloreferente a Mediciones, para de la utilizacin de intensidades dbiles en las comprobaciones de lastensiones de seguridad y extrapolar esos resultados a regmenes de corriente mucho msimportantes.

Existen, sin embargo, otros factores distintos de los ya enumerados que son susceptibles de modificar apreciablemente la resistividad del terreno pero que, por su naturaleza elctrica, slo pueden surgir posteriormente al establecimiento de la red de tierra, tales como:

a) El efecto de gradientes de potencial elevados.b) EI calentamiento del suelo a consecuencia de la circulacin de corrientes de puesta a tierra

elevadas o de forma prolongada.

a) Gradientes de potencial elevados

Cuando el contacto entre un electrodo y el terreno es mediocre, pueden establecerse -en condicionesde circulacin de corriente de defecto y a partir de un cierto valor- pequeas descargas que,franqueando Ias delgadas capas aislantes que separen los dos medios, contribuyan a igualar lospotenciales de amos. La resistencia del sistema de puesta a tierra arrojara, en estas condiciones,valores inferiores a los que se hubieran obtenido cuando no se produca el fenmeno, acusndoseprincipalmente esta reduccin en instalaciones de puesta a tierra de pequeas dimensiones.

Para magnitudes de la corriente de puesta a tierra muy importantes, el gradiente de potencial puedellegar, en las proximidades inmediatas de los electrodos, a alcanzar valores que provoquen laperforacin del terreno, dando lugar a la formacin de uno o varios arcos que, a partir de puntos delelectrodo, se propaguen a travs del suelo en diversas direcciones y con eventuales ramificaciones,hasta que se deje de verificar la superacin del nivel de tensin crtico (algunos kV/cm).

Prescindiendo de la cada de tensin en los arcos, la traduccin de este efecto -que slo serapreciable en el caso de electrodos de pequeas dimensiones- es prolongar, de alguna manera, lasdimensiones de los mismos, que se comportarn como si fueran de mayor tamao o bien se hubierareducido la resistividad del terreno pero, por diseo, debe evitarse el establecimiento de talesdescargas porque deterioran rpidamente los electrodos.


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Tampoco, desde el punto de vista de las descargas atmosfricas, es posible beneficiarse de loanterior porque la velocidad de propagacin de los arcos en el suelo es muy lenta para ser tenida encuenta durante la breve duracin del abrupto frente de la descarga del rayo.

b) Calentamiento del suelo por la circulacin de corrientes elevadas

El calentamiento del suelo tiende a aumentar su conductividad mientras no vaya acompaado dedesecacin. La resistividad de una capa de terreno puede disminuir en una relacin de 2 a 1 paratemperaturas entre algunos grados y 20 a 25 C, y en una relacin del mismo orden entre 20 y 80 C.

La cantidad de calor que se genera en un electrodo puede considerarse que se divide en dos partes:la acumulada en el volumen de terreno en contacto directo con el mismo, (terreno que presenta uncalor especfico medio, y, de 1,75.10 ws/m 3C) y otra parte que la absorben las capas circundantesms fras, circulando a travs del terreno (que tiene una conductividad calorfica, A, del orden de1,2 W mC).

El efecto inicial de una circulacin prolongada de corriente por una toma de tierra es disminuir suresistencia, con una importancia que depende de la contribucin al valor total de la misma de lascapas de terreno prximas, pero que no es apreciable ms que para las tomas de tierra dedimensiones pequeas.

Sin embargo, las corrientes que se presentan normalmente en las instalaciones de puesta a tierra sonde corta duracin, aunque a veces sean de gran magnitud, as que la influencia de la conductividadcalorfica del terreno es, prcticamente, despreciable y slo el calor especfico determina la energaque puede disiparse en una toma de tierra, siendo la elevacin de temperatura proporcional al tiempo.

La temperatura es mxima en la proximidad inmediata del electrodo, convirtindose las condicionesen crticas cuando se acerca a 100C, al provocarse la evaporizacin rpida del agua ocluida y dejaraal electrodo en contacto con una capa deshidratada muy resistente e, incluso, llegar a producir lacalcinacin del terreno a su alrededor. La toma de tierra pierde entonces su poder de evacuacin ytiende a subir su potencial hasta la tensin simple de la red, situacin evidentemente peligrosa. Puedeevitarse que se produzca la desecacin si las protecciones de la red eliminan la corriente de defectoinicial en un tiempo, t , tal que limiten la corriente, i , evacuada por metro, al valor aproximado de:

A/m10156,4101075,1 4

26

t

d

t d

t d i

===

Expresin en que d es el dimetro, en metros, del electrodo. Sobre este particular, en el punto 1.2 dela RAT, Prescripciones en relacin con el dimensionado, se dice:

"Se tendrn en cuenta las variaciones posibles de las caractersticas del suelo en pocas secas y despus de haber sufrido corrientes de defecto elevadas".


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Captulo III Potenciales y Gradientes


Potenciales y gradientes [4], [5] y [6]

Antes de abordar el captulo referente a la medida de la resistividad del terreno continuacin lgicadel anterior, en que se ha tratado este relevante factory las causas de su variabilidad , es convenienteconsiderar el inciso abierto por el presente para describir la forma general en que se propagan laslneas de corriente por el terreno y las diferencias de potencial y gradientes elctricos que, en torno alos sistemas de puesta a tierra, se generan, conceptos fundamentales en que se apoyan los mtodosutilizados para realizar las mediciones.

CIRCULACIN DE CORRIENTES POR EL SUELO

Ya se ha mencionado que el terreno, medio de tres dimensiones, posee, generalmente, naturalezaheterognea.

En razn al conocimiento tan imperfecto que se posee de su resistividad y de las posibles variacionesde Ia misma, tanto en sentido horizontal como en profundidad, no es posible abordar un clculopreciso de la distribucin de las corrientes que lo recorren y hay que contentarse con evaluacionessencillas cuyo grado de aproximacin est en relacin con la incertidumbre de los parmetros de quedepende.

De una manera general, haciendo referencia, por ejemplo, a la corriente que se est derivando por una toma de tierra a causa de una lnea que presente un defecto, puede observarse que busca lavuelta al circuito por Ias vas que minimicen la impedancia del recorrido. Alrededor de la toma detierra, empieza por extenderse en todas las direcciones que se le ofrecen, inflexndose, despus, losfiletes de corriente y tendiendo a concentrarse en una zona subyacente al trayecto de la lneaconsiderada.

La distribucin que se siga es fruto de dos factores antagnicos: por un lado, una amplia dilucin delos filetes de corriente reduce las cadas hmicas, mientras que, por otro, el mximo acercamientoposible al conductor que presenta la falta, minimiza la inductancia del bucle que con l constituyen. Ladilucin resultante corresponde al rgimen en que los dos efectos se contrarresten.

Las corrientes tienden a penetrar ms profundamente en el suelo cuanto ms elevada sea laconductividad del mismo y, por el contrario, se renen hacia la superficie a medida que la frecuenciaes ms alta. En definitiva, a 50 Hz, la capa de filetes de corrientes de retorno por el suelo puedeasimilarse a un conductor difuso nico, situado a una profundidad que va desde algunos centenareshasta mil o dos mil metros, segn la resistividad del terreno.

La importante profundidad a la cual penetran los filetes de corriente permite considerar que la zonadonde radialmente se expanden en torno a la toma de tierra se extiende hasta una gran distancia conrespecto a las dimensiones de aqulla, aceptndose, en esos casos, que el retorno de corriente seefecta a una distancia infinita de las tomas de tierra y en todas Ias direcciones.


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No obstante, tambin puede contemplarse el retorno de corriente por otra red de tierra ms o menosalejada, como sucede, por ejemplo, en el caso de la medicin del valor de la resistencia de una puestaa tierra.

Una y otra disposicin originarn la aparicin de potenciales en torno a la red de tierras, que se van aanalizar.

REPARTO DE POTENCIALES EN UNA RED DE TIERRA CON RETORNO DECORRIENTE EN EL INFINITO

El razonamiento se efectuar, por simplicidad, sobre el tipo de electrodo ms cmodo (semiesfera),enterrado en la superficie de un terreno homogneo, de resistividad .

Los filetes de corriente se distribuirn radialmente en todas las direcciones, determinando superficiesequipotenciales que sern semiesferas concntricas con la del electrodo y cuyas intersecciones con la

superficie del suelo, o trazas, tendrn forma circular (figura 7).

Figura 7. El electrodo esfricoes el ms simple por ser simtrico en todas direccionesy al enterrar slo el hemisferioinferior, todava se simplificams su anlisis. En un terrenohomogneo, las lneas decorriente se esparcirn,radialmente, en todasdirecciones si se inyecta unacorriente l.

Si el valor de la corriente de puesta a tierra es I (A), la densidad de corriente, i , a una distancia x (m)del centro, ser:

(A/m) 2 2 x

I

S

I i

==

El valor del campo elctrico, E , (o gradiente de potencial, G), que se crear en ese lugar vendr dadopor:

(V/m) 2 2 x

I i

dx

dU G E

====


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de forma que la diferencia de potencial entre el electrodo, de radio r, y el punto considerado, U r x ,valdr:

(V) 11

211

2

1222 22

=

=

====

xr

I

r x

I

x

I

x

dx I dx

x

I dxeU

x

r

x

r

x

r

x

r

xr

El potencial absoluto del electrodo con respecto a un punto de referencia infinitamente alejado ("tierralejana"), tendr por expresin:

(V) 16,02

112 r

I

r

I

r

I U

r

==

=

y, anlogamente, para cualquier punto que diste x del centro del electrodo, podr escribirse que elpotencial absoluto es:

(V) 16,02 x

I

x

I U

x

==

de forma que para una corriente de defecto y un terreno determinado, vara inversamente proporcionala su distancia al centro del electrodo, con independencia del radio de ste, siendo la curva querepresenta su variacin una hiprbola (figura 8). Puede apreciarse que el valor de la tensin absolutadel electrodo se reduce a la mitad para puntos que disten de la periferia del mismo una distancia igualal radio.

Figura 8. Sobre el electrodosemiesfrico, se representa enalzado, utilizando coordenadaslineales, un perfil del potencial que adquiere respecto a un puntode referencia, infinitamentealejado, a potencial cero.Obsrvese cmo a la distancia 2r del centro, el potencial se hareducido a la mitad de su valor. Ala derecha, la mismarepresentacin en coordenadaslogartmica

El gradiente, sin embargo, aunque tampoco depende de las dimensiones del electrodo, se ha vistoque, para una corriente dada, vara con el inverso del cuadrado de la distancia al centro , por lo quedecrece muy rpidamente.

El electrodo semiesfrico posee una resistencia que se puede determinar por el cociente de supotencial absoluto y la intensidad que lo recorre,


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esto es:

( )====

r r rI

I

I

U R r

16,022

igual, por tanto, al cociente entre la resistividad del terreno y el permetro de la semiesfera,observndose que la resistencia vara como la resistividad del terreno y como la inversa del radio delelectrodo.

La expresin anterior puede transformarse a:

2

2/2 r

r

r R

==

que presenta las dimensiones correspondientes a la frmula de la resistencia de los conductores

(R= I/s), permitiendo afirmar que:

La resistencia opuesta por un suelo homogneo a la circulacin de una corriente por un electrodosemiesfrico es igual a la de un elemento cilndrico del terreno con idntica seccin que la diametraldel electrodo y con una longitud o altura igual a la mitad del radio del electrodo.

Sin embargo, prcticamente los electrodos semiesfricos apenas se emplean ya que su formarecogida producen una mala utilizacin del metal y es preferible hacer que ste tenga una zona decontacto mucho ms extensa con el terreno.

En esos casos, el perfil de las superficies equipotenciales evoluciona con su alejamiento del electrodo,adoptando una forma tanto ms parecida al electrodo como ms prximas estn de l y tanto menosdiferentes del de la semiesfera como el electrodo considerado sea de forma ms compacta pero, enterreno homogneo, es importante remarcar que, por irregular que sea la forma del electrodo d tierra,las mencionadas superficies tendern siempre a acercarse a la que presenta la semiesfera a medidaque se alejen del electrodo (figura 9).

Figura 9. Superficiesequipotenciales y reparto de

potencial alrededor de una pica y su electrodo semiesfricoequivalente. A distancias

pequeas de la pica, lassuperficies equipotencialesrespetan su forma ahusada pero,en el alejamiento, van tendiendoa las de la semiesfera.


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Por tanto, a una distancia que sea un poco grande respecto a las dimen siones del electrodo, elpotencial absoluto y el gradiente no dependern ni de la forma ni de las dimensiones de ste y sepueden expresar por las frmulas calculadas, en funcin de la distancia y de la corriente que se

evace. Adems, siempre es posible, evidentemente, hacer corresponder a cualquier red de tierra, deresistencia R, un electrodo semiesfrico equivalente, de radio r h de forma que, enterrado en el mismoterreno, presente la misma resistencia de puesta a tierra y que recorrido por la misma corriente depuesta a tierra, alcance el mismo potencial, aspecto que adquiere relevancia en la determinacin de laprofundidad de investigacin de la resistividad, como all ya se expondr.

En suelo homogneo, el radio del electrodo semiesfrico equivalente es:

(m) 2 R

r h

=

NotaEl radio del electrodo semiesfrico equivalente ser intermedio entre Ias tres dimensiones delelectrodo real. Una pica es equivalente a una semiesfera de radio prximo a un sexto de su longitud,una placa superficial a una semiesfera de radio del 65 % de la misma.

Por otro lado, es evidente que la resistencia de un electrodo cualquiera ser superior a la de todoelectrodo semiesfrico circunscrito.

REPARTO DE POTENCIALES EN UNA RED DE TIERRA CON RETORNO DECORRIENTE POR OTRA

Cuando se establece una corriente por el terreno entre dos tomas de tierra puntuales, A y B, el repartode potencial por el suelo y sobre las tomas de tierra resulta de la superposicin de los efectos de lacorriente I, que circula por A y de la I, que lo hace por B (figura 10).

Figura 10. Reparto de potenciales, en terrenohomogneo, para dos tomasde tierra puntuales, A y B, entreIas cuales circula una corriente.El perfil resultante, en trazocontinuo, es el obtenido al superponer los potencialesindividuales correspondientes

a A y B, bajo la circulacin delas corrientes I y -I,respectivamente.


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En la proximidad de cada electrodo, el reparto de potencial difiere tanto menos del que tendra enausencia del otro electrodo como alejado est de l.

En el caso de un terreno homogneo y de dos electrodos de dimensiones pequeas respecto a sualejamiento, la distribucin de las superficies equipotenciales se establece como se muestra en lafigura 11. Las superficies equipotenciales son idnticas a las que se produciran por dos cargaselctricas iguales y de signos contrarios.

Figura 11. Para las tomas anteriores, ladistribucin de las superficiesequipotenciales (lneas de trazos), seranidnticas a las que produciran dos cargaselctricas iguales y de signos contrarios.Las lneas de corriente se han dibujadocon trazo continuo.

DEFORMACIN DE LAS SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES EN UN TERRENOHETEROGNEO

Cuando el subsuelo no es homogneo, las superficies equipotenciales no son semiesfricas sino quese deforman en funcin de las variaciones de la resistividad del suelo.

As, razonando sobre el caso simple de un terreno superficial, de espesor H resistividad 1, y unsubsuelo homogneo indefinido, de resistividad diferente, 2, se tendr que si el subsuelo es msconductor que el terreno superficial y est a una profundidad escasa, tender a inflexionar hacia abajolos filetes de corriente que salen del electrodo, mientras que si es ms resistente, los dirigir hacia lasuperficie, dificultando su expansionamiento en profundidad (figura 12), de forma que penetrarnmenos rpidamente en el suelo que cuando ste es homogneo.

a) Si el terreno superficial tiene una resistividad 1, inferior a la del subsuelo, 2, las lneas decorriente presentan una concavidad dirigida hacia arriba.

b) La concavidad est dirigida hacia abajo si es 1 > 2. Ala izquierda de ambas figuras serepresenta la lnea de corriente y superficies equipotenciales en suelo homogneo.


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c) Muestra las deformaciones que se producen en los casos lmite de 2 correspondiente a unconductor ( 2=0) o a un aislante ( 2=).

Para tomas de tierra puntuales, de radio equivalente inferior al espesor del terreno superficial, losgradientes de potencial en las proximidades del electrodo son poco sensibles a las variaciones,incluso importantes, de la resistividad del subsuelo y prcticamente los mismos que si el suelo fuerahomogneo y de resistividad .

Sin embargo, para distancias iguales o superiores al espesor, H , del terreno superficial, la ley devariacin del potencial del terreno est muy afectada por la resistividad del subsuelo:

Si ste es muy conductor, la mayor parte de los filetes de corriente no tardan en abandonar lacapa superficial, disminuyendo rpidamente la tensin alrededor del electrodo, que se acercaa la expresin:

(V) 22 x

I U

x

=

funcin exclusiva de la resistividad del subsuelo.

Si el subsuelo es muy resistente, por el contrario las tensiones tendern a los valores de lafrmula anterior para una gran distancia, mantenindose los filetes de corriente mucho mstiempo en la capa superficial, que desempea aqu un papel de difusor, al circular todava por ella la mitad de la corriente cuando la distancia es 2/1 veces el espesor H. Esta trayectoriade las corrientes tiene por consecuencia que la curva de variacin del potencial alrededor delelectrodo sea bastante ms plana que en terreno homogneo, como si la resistividad 2 sesustituyera progresivamente por 1, a medida que la distancia de alejamiento es mayor.

La figura 13 ilustra las variaciones de potencial alrededor de una toma de tierra heterognea, en elcaso de un terreno superficial 1 y un subsuelo de resistividad 2, pudindose apreciar que, paraalejamientos importantes, Ias variaciones de potencial estn fijadas, sobretodo, por la resistividad 2del subsuelo.

Figura 12. Deformacin de lassuperficies equipotencialesalrededor de una toma detierra segn las variaciones deresistividad de un terrenohomogneo.


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En a) se observan, utilizando coordenadas logartmicas, las variaciones de potencial alrededor de unelectrodo semiesfrico, segn la resistividad del subsuelo respecto a la capa superficial, comparadascon las correspondientes a un terreno homogneo.

En b) bajo coordenadas lineales, se efecta esa comparacin para el caso concreto de que 2 = 10 1 curva 1 y la obtenida en un medio homogneo de resistividad 1, curva 2 . Entre ambas curvas, seha representado el caso en que el espesor H r en la hiptesis de 2 = 10 1.


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Captulo IV Medida de Resistividad del Terreno


Medida de la resistividad del terreno [4]

A la luz del conocimiento cualitativo de cmo circulan por el terreno las corrientes elctricas dedefecto, se est en situacin de analizar los procedimientos utilizados para llevar a cabo las medidasde resistividad del terreno, objeto de este captulo y que es una informacin de importante valor ymxima influencia en la realizacin de los sistemas de puesta a tierra.

INTRODUCCINLa realizacin de una instalacin de puesta a tierra requiere conocer previamente el perfil de laresistividad del terreno segn la profundidad para, de esta forma, facilitar la eleccin de la disposicinde los electrodos de tierra que mejores resultados tcnico-econmicos proporcione y poder prever lascaractersticas elctricas de la red de tierras.

En este sentido, la MIE RAT 13 prescribe, en su punto 4.1, Resistividad del terreno, lo siguiente:

"En el Apartado 2 de esta Instruccin se indica la necesidad de investigar las caractersticas delterreno, para realizar el proyecto de una instalacin de tierra. Sin embargo, en las instalaciones detercera categora y de intensidad de cortocircuito a tierra inferior o igual a 16 kA no ser imprescindiblerealizar la citada investigacin previa de la resistividad del suelo, bastando el examen visual delterreno, pudindose estimar la resistividad por medio de la tabla 2, en la que se dan unos valoresorientativos....", tabla que es la que se ha reproducido en la pgina 19.

Debe resaltarse, no obstante, que la estimacin de la resistividad en base a la clasificacin del sueloinvolucrando la dificultad de situarlo en el perodo geolgico correspondiente a su formacin , yconsiguiente utilizacin de tablas con una gama amplia de valores para un terreno determinado ,puede dar lugar a grandes errores, que obligaran a las pertinentes correcciones posteriores, por loque teniendo presente la relativa simplicidad para establecer la resistividad media por mtodossancionados por la prctica, ser aconsejable realizar siempre, incluso en las instalaciones de terceracategora, las medidas necesarias para determinar el valor de la resistividad.

Nota

MIE RAI 13, Art. 3 Clasificacin de las instalaciones.

Tercera categora. Las de tensin nominal igual o inferior a 30 kV y superiora 1 kV.

MTODOS DE MEDIDA

Existen diversos mtodos para determinar la resistividad de un terreno pudiendo citarse, en primer lugar, el basado en la toma de muestras y el de los "dos electrodos", pero que slo proporcionanindicaciones muy locales y, consecuentemente, insuficientes o engaosas para la concepcin de lastomas de tierra.

Tambin, en alguna ocasin, se utiliza el sistema consistente en medir la resistencia de tierra de unelectrodo que responda a una frmula bien conocida (pica, por ejemplo) para determinar, a partir de


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ah, la resistividad del terreno que la rodea, mtodo que tiene la ventaja de proporcionar una medidaglobal pero cuya aplicacin no resulta adecuada ms que si la toma de tierra a implantar es dedimensiones comparables a la de los electrodos utilizados como referencia.

Por otro lado, como que los electrodos de medida tambin poseen resistencia de tierra y su valor puede ser considerablemente ms alto que el que desea medirse de forma anloga a como ocurrecuando se tienen que efectuar mediciones de resistencias metlicas muy bajas, con resistencias decontacto comparables con ella , la mejor solucin es utilizar el mtodo de los "4 terminales", descrito acontinuacin.

Mtodo de los cuatro electrodos

Es el ms utilizado para determinar la resistividad del terreno. En este procedimiento, se establece laresistividad, en funcin de la profundidad, en la vertical de un punto, O (figura 14), haciendo circular una corriente, I , con ayuda de un generador, G entre dos electrodos puntuales, de pequeasdimensiones, hincados en el suelo, A y B.

Figura 14. Para conocer, en lavertical del punto O, laresistividad en funcin de la

profundidad, se hace circular una corriente entre dos

pequeas picas, A y B. Si el terreno es homogneo, el valor del campo elctricocreado, E, permite determinar la resistividad, , del terreno.

En terreno homogneo, de resistividad , el valor del campo elctrico, E , en el punto O, debido a lapresencia de las cargas elctricas de signos contrarios procedentes de A y B, tiene por valor:

( )( )

( )( )

+= 222 OB I

AO

I E

Si el punto O est situado en la mitad de AB, de tal forma que AO=OB=x, queda:

2 x E

=

de donde se deduce la frmula siguiente de la resistividad del suelo bajo el punto O:

I

E x 2 =


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Puesto que el suelo raramente es homogneo, realmente la frmula expresa la resistividad aparentede las capas existentes en el suelo bajo el punto O, justo hasta la profundidad alcanzada por el filetede intensidad de corriente media que circula entre los electrodos A y B.

Prcticamente, el campo elctrico, E , se determina por el cociente entre la diferente de potencialU C U D que existe entre dos sondas de tierra, C y D, dispuestas simtricamente con relacin a O ysu separacin, L (figura 15).

L

U U E DC

=

Figura 15. El valor del campoelctrico que se necesita paracalcular la resistividad seestablece como cociente entro ladiferencia de potencial U C U D, medida entre dos puntos detierra, C y D, situadossimtricamente respecto a O y ladistancia que existe entre ellos, L.

Expresando la diferencia de potencial en funcin de la distancia respectiva de los puntos C y D conrespecto a las corrientes +l y I, se tiene:

=

DB1

AD1

CB1

AC1

2 I U U

DC

y, por tanto, la resistividad aparente, , de las capas acumuladas del terreno debajo del punto 0 ser:

I

U U DC

+=DB1

AD1

CB1

AC1

2

que es la frmula general para la medida de la resistividad aparente del terreno, cualquiera que seanlas longitudes existentes entre los electrodos, despreciando la profundidad de enterramiento de laspicas de medida.

El trmino ( U C U D)/I es la resistencia, R , en , que proporcionan directamente los instrumentos de 4bornes comnmente utilizados, cuyo circuito voltimtrico se conecta a las tomas C y D y elampermetro, a las A y B.

En el caso de que el suelo sea homogneo, la resistividad aparente es idntica a la resistividad real.


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Mtodo de Wenner

Es un caso particular del mtodo de los 4 electrodos, que se disponen en lnea recta y equidistantes,

simtricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, no siendonecesario que la profundidad de las piquetas, que para ello se utilizan, sobrepase los 30 cm.

El aparato de medida es un telurmetro clsico, siendo los dos electrodos extremos los de inyeccinde la corriente de medida, I, y los dos centrales, los electrodos de medida del potencial (figura 16).

Figura 16. En el mtodo deWenner, se sitan 4electrodosde pequeas dimensionesalineados en lnea recta y equidistantes entre s "a" metros. Los terminalesextremos constituyen lainyeccin de corriente y losdos centrales, efectan lamedida de la diferencia de

potencial U C U D En el equilibrio, el aparato facilitadirectamente el cocienteentreU C U D /l, o sea la R y laresistividad, a una

profundidad h =3a/4, se calcula por laexpresin =2 aR

El punto, O, de medida de la resistividad se encuentra en el medio de un sistema simtrico, entre loselectrodos de potencial, llamndose base de medida a la distancia "a" entre dos electrodosadyacentes y lnea de emisin a la distancia entre los electrodos extremos (igual a "3a" en estemtodo).

En estas condiciones, la frmula general anterior queda simplificada en:

R R a2

a1

2a1

2a1

a1

2

=

+=

En relacin con este mtodo, deben de tenerse presente los siguientes aspectos:

Nocin de la profundidad de investigacin

La densidad de la corriente en el suelo decrece regularmente cuando aumenta la profundidad en lavertical de los dos electrodos centrales de medida del potencial ya que la corriente penetra tanto msprofundamente en el suelo cuanto ms alejados estn los electrodos de inyeccin.

En la prctica, se puede admitir que la resistividad aparente es, bsicamente, la de las capascomprendidas entre la superficie del suelo y la profundidad a la cual la densidad de corriente se hareducido a la mitad de su valor en la superficie, siendo esta profundidad de investigacin, h, del orden


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de magnitud de la distancia "a" que separa dos picas adyacentes, en suelo homogneo (h estcomprendida entre "a" y "0,75a").

Eleccin de la profundidad de investigacin

Cuanta mayor extensin ocupe el electrodo de tierra, mayor ser la profundidad del suelo de cuyascaractersticas dependen las de la red de tierra.

Por otro lado, el reparto de potencial en la superficie es funcin, principalmente, de la resistividad delas capas de terreno superficial mientras que la resistencia de tierra no depende tanto.

Considrese primero, a ttulo de ejemplo, un electrodo hemisfrico de radio r h hundido en la superficiede un terreno homogneo, como se ve en la figura 17.

Figura 17.Comparacin del reparto de potencial y de laslneas de corrientealrededor de una placacircular, de radior, enterrada en lasuperficie del terreno y las del electrodosemiesfricoequivalente.

A una distancia 2 r h del centro del hemisferio se ha visto que el potencial de un punto del suelo no esms que el 50 % del que posee el electrodo, mientras que a la distancia 4 r h, su valor ha disminuido al25%. Otro ejemplo es el de un disco de radio r, dispuesto a escasa profundidad, que tambin se harepresentado en la misma figura y que es equivalente a aqul.

El potencial del suelo, a una profundidad igual a 2,4 r (que en el caso de la hemiesfera equivalente,corresponde a 3,8veces el radio, r h, de la misma), vale el 25 % del que posee el disco.

Al generalizar estos resultados al caso de electrodos de cualquier forma enterrados en suelohomogneo, se ve que las caractersticas elctricas de una red de tierra estn determinadas,esencialmente por la porcin de terreno comprendido entre la superficie del suelo y una distancia dealrededor de 4 veces el radio de la semiesfera equivalente a la red de tierra.


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En consecuencia, las medidas de la resistividad del terreno por el mtodo de Wenner deben realizarsedentro de esos lmites.

En la tabla 3 se facilitan los valores del producto K=2 a que, junto con la lectura, R , del aparato,permiten obtener la resistividad del terreno en la franja comprendida entre la superficie y laprofundidad h =3a/4.

Tabla 3


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CONSIDERACIONES SOBRE LAS MEDIDAS DE LA RESISTIVIDAD

Ya se ha indicado que las variaciones climticas estacionales influyen sobre la resistividad de las

capas superficiales de un terreno. Es por ello que las lecturas de resistividad deben incluir anotacionessobre las condiciones reinantes durante las medidas (temperatura y condiciones de humedad delsuelo) y, si es posible, contrastarlas con las que se repitan en pocas diferentes del ao.

La presencia en la zona de prospeccin de cuerpos metlicos (por ejemplo, canalizaciones desnudas)o de filones de terreno muy resistentes o muy conductores, que acaben aflorando a la superficie,puede perturbar las medidas de resistividad, ya que para franquear tales obstculos, se originanmodificaciones de las trayectorias de los filetes de corriente en el suelo y, en consecuencia, del campoelctrico sobre el punto de medida.

La forma de evidenciar las siempre posibles causas perturbadoras y, tambin, de verificar que noexisten variaciones sensibles en la homogeneidad del subsuelo que se analiza, es efectuar mediciones en diversas zonas del emplazamiento de la instalacin de tierra y con distintas separa-

ciones entre los electrodos de medida, muy particularmente en instalaciones de gran extensin,como centrales y subestaciones, mientras que en centros de transformacin y otras instalaciones de3.a categora, puede bastar mediciones dentro del solar que ocupen y en su entorno inmediato,tomando el valor medio de los resultados obtenidos como base para el clculo para confirmar losresultados u obtener indicaciones de variaciones importantes de la resistividad con la situacin o laprofundidad.

Mientras ms importantes sean las desviaciones, ms lecturas debern tomarse, especialmente sialguno de los valores es tan elevado que haga intuir problemas graves de seguridad.

Para un mismo punto de investigacin es preciso efectuar dos medidas como mnimo, segn dos ejesperpendiculares entre si que pasen por el punto, recomendndose, no obstante, proceder a medir enotro lugar prximo, situado en la misma zona geolgica.

Adems, cuando la resistividad vare apreciablemente con la profundidad, es conveniente utilizar unrango de espaciado, "a", entre electrodos adecuado para que se pueda realizar una estimacinprecisa, por extrapolacin, para otros valores.

Las medidas deben realizarse en condiciones representativas de la situacin del electrodo en elfuturo, y, por ello, si est previsto modificar las condiciones naturales del terreno, mediante desmonteso terraplenes, deben efectuarse las mediciones una vez realizadas tales tareas o repetirlas, a efectoscomparativos, una vez concluidas las mismas.

Tambin es necesario efectuar la determinacin de la resistividad en tiempo seco, tratando dereproducir las condiciones ms desfavorables y si ello no fuera posible, se deber aplicar un ciertocoeficiente de seguridad que es mayor en los resultados obtenidos.

Otra posible causa de perturbaciones durante las medidas de resistividad del terreno puede tener relacin con las caractersticas del equipo de medida utilizado, pues, generalmente, se emplea untelurmetro que funciona con corrientes alternas de inyeccin para las medidas de resistividad de losterrenos. La corriente alterna permite, en efecto, eliminar el efecto parsito de polarizacin de loselectrodos producido por la corriente continua y resulta insensible a las corrientes telricas yvagabundas pero, a causa del efecto pelicular, penetra menos profundamente en el suelo que lacorriente continua, efecto que es tanto ms acusado cuanto ms elevada sea la frecuencia de lacorriente y dbil la resistividad del terreno. Por eso, en la prctica habr que buscar frecuencias paralas que este efecto sea despreciable como la de 85 Hz, que proporciona una penetracin de 550 m enterrenos de 100 a.m de resistividad y 1700 m cuando la resistividad es de 100 Q.m.


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INTERPRETACIN DE LOS RESULTADOS

La evolucin del valor de la resistividad aparente en funcin de la distancia entre los electrodos de

medida proporciona una primera indicacin cualitativa de la estructura del terreno; si esa curva esdecreciente, significa que el subsuelo es mejor conductor que el terreno superficial e inversamente,para una curva creciente.

La determinacin cuantitativa de la resistividad del terreno a diferentes profundidades se hacecomparando la curva experimental de las variaciones de la resistividad aparente con un juego debacos obtenida por clculo y correspondientes a ciertas estructuras del terreno bien precisas que,generalmente, son:

Suelo cuya resistividad vara continuamente siguiendo una ley exponencial. Suelo constituido por una capa superficial de resistividad uniforme, 1, y de un subsuelo de

resistividad 2. Suelo constituido por tres capas.

La bsqueda de la estructura ms adecuada a los resultados experimentales puede hacersegrficamente o por clculos mediante ordenador, quedando determinada la estructura del terreno conuna precisin que depende, nicamente, de la manera en que los resultados de las mediciones sesuperpongan con las curvas tericas, que pueden calcularse con gran precisin.

La figura 18 muestra un ejemplo de curvas de valores de resistividad aparente medidas por el mtodode Wenner (curvas de trazo continuo y continuo-guin) y su comparacin con las de un modelo tericode dos capas, habindose considerado tres alternativas para el valor de 2.

Figura 18. Ejemplo de resultado delas medidas por el mtodo de

Wenner de la resistividad aparente del terreno y de sucomparacin con los valorestericos correspondientes a unmodelo de dos capas, lasuperficial y la del subsuelo. Lascurvas tericas se muestran atrazos y las experimentales,medidas, de forma continua y continua-trazo.


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ELEMENTOS NECESARIOS PARA EFECTUAR LAS MEDICIONES

El material necesario para determinar las resistividades del suelo es el siguiente:

Un instrumento de medida de resistencia de tierra, que posea 4 bornes. Cuatro piquetas metlicas que sirvan de electrodo. Cuatro cales aislados para conectar las piquetas a las tomas del instrumento.

Para efectuar mediciones hasta profundidades de unos 40 m ser preciso disponer de 2 rollos decable de un centenar de metros y otros dos de 50 metros, preferiblemente sobre bobinas quepermitan, con facilidad, la operacin de enrollado y desenrollado de los mismos, siendo cada cable deun color diferente.

En el caso de suelos duros, en los que no puedan clavarse picas como, por ejemplo, suelos dehormign, se colocarn las picas auxiliares envueltas en os humedecidos con agua que sedepositarn directamente sobre el hormign, regndose el conjunto de picas, trapos y suelo. Las

medidas que se obtienen son, prcticamente, iguales a las que proporcionaran las picas auxiliareshincadas en el terreno.


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Captulo V Tensiones de Paso y de Contacto


Tensiones de paso y contacto [5], [6] y [7]

Se proporcionan aqu las definiciones de los conceptos bsicos en que descansa la filosofa deseguridad que ha adoptado la Administracin en relacin con las instalaciones de puesta a tierra,como son las posibles tensiones de paso y contacto existentes en la misma y los valores aplicados deesas tensiones al ser humano, facilitndose algunos ejemplos y expresiones sencillas que puedentomarse como referencias.

MAGNITUDES ELCTRICAS QUE CARACTERIZAN UNA PUESTA A TIERRA

Bajo condiciones de defecto, la circulacin de una corriente, l , por una toma de tierra sita a sta auna tensin, U 0, denominada depuesta a tierra , en relacin con un punto lejano, de potencial cero,definiendo el cociente U O /I la resistencia, R , de la toma de tierra que, tal como se ver ms adelante,interviene como elemento de clculo de la corriente que circula de la cual depende elcomportamiento de las protecciones y de la propia tensin U O (figura 19).

Figura 19. Distribucin de laslneas de corriente y potencialesen torno a una malla de puesta atierra, cuando est recorrida por una corriente de defecto.

No obstante, como se describe a continuacin, en los problemas de seguridad intervienen siempretensiones entre puntos fsicamente bastante ms cercanos como para que se pueda acceder a ellossimultneamente, de forma que U O no cuenta directamente en estas situaciones, salvo que seproduzca alguna de las siguientes particularidades:

Introduccin, de alguna manera, del potencial de referencia en el interior de la instalacin,acercando, hasta distancias de contacto, estructuras cuya fijacin al suelo est alejada.

Propagacin del potencial de la instalacin (las llamadas tensiones transferidas) a una grandistancia de la misma por un elemento conductor, tal como una lnea telefnica, una red de bajatensin, una canalizacin metlica aislada, etc.


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Captulo V Tensiones de Paso y de Contacto


EVALUACIN DE LAS TENSIONES LOCALES ALREDEDOR DE LAS TOMAS DETIERRA O DE ESTRUCTURAS PUESTAS A TIERRA

Alrededor de los electrodos de tierra, la tensin del suelo decrece progresivamente desde el valor U O=R/l hasta cero, habindose definido la tensin U x a una distancia x del centro de la toma de tierra yel gradiente local correspondiente dU x /dx .

Tensin de paso

Para este concepto, la MIE RAT 01 proporciona el siguiente texto literal:

"Es la parte de la tensin (de puesta) a tierra que puede ser puenteada por un ser humano entre losdos pies, considerndose el paso de una longitud de 1 metro" aunque resulta ms intuitivo el facilitadopor la IEEE Standard 81, al destacar la ausencia de la persona en su definicin:

"La tensin de paso es la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie del terreno,

separados por una distancia de un paso, que se asimila a un metro, en la direccin del gradiente depotencial mximo".

El gradiente de potencial en una regin coincide, prcticamente, con el valor ms elevado que puedealcanzar la denominada tensin de paso (figuras 20 y 21), que adquiere, evidentemente, sus valoresms elevados en las proximidades inmediatas de los electrodos de tierra.

Figura 20. Se representa el perfil de potenciales en tornoa un electrodo vertical de

puesta a tierra (pica), pudiendocomprobarse la proporcin

existente entre V p y U 0 . (*)

En la figura 20 puede verse la tensin de paso, V P , es una fraccin de la tensin de puesta a tierra, U 0 .Deben d

Puesta a Tierra de Instalaciones Eléctricas

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