La mayoría de las instalaciones dispone de un electrodo o un sistema de puesta a tierra para que, en el caso de impactar un rayo o producirse una sobretensión, la corriente encuentre una ruta segura a tierra. Un electrodo de conexión a tierra proporciona el contacto entre el sistema eléctrico y la tierra. Para asegurar una conexión a tierra fiable, los estándares de ingeniería y las normas locales especifican con frecuencia una impedancia mínima para el electrodo de conexión a tierra. La NETA (International Electrical Testing Association) especifica que para mantener un sistema en correctas condiciones se deben realizar comprobaciones de los electrodos de conexión a tierra cada tres años.
Esta nota de aplicación explica los principios de conexión a tierra y de seguridad en mayor profundidad y, a continuación, describe los siguientes métodos de comprobación: comprobación de la caída de potencial de 3 y 4 polos, comprobación selectiva, comprobación sin picas y comprobación bipolar.
¿Por qué es conveniente efectuar una conexión a tierra?
El National Electrical Code (NEC) de los Estados Unidos apunta dos razones principales para conectar una instalación a tierra.
- Estabilizar la tensión a tierra durante el funcionamiento normal.
- Limitar la subida de tensión que producen los rayos, las sobretensiones de la línea o los contactos involuntarios con líneas de mayor tensión.
La corriente siempre encuentra la ruta de menor resistencia de vuelta al origen, ya sea un transformador de suministro, un transformador en las instalaciones o un generador. Los rayos, por su parte, siempre encuentran la ruta a tierra.
Si se produce el impacto de un rayo en las líneas de suministro o en las cercanías de un edificio, un electrodo de conexión a tierra de baja impedancia ayudará a derivar la energía a tierra. Los sistemas de conexión a tierra conectan la tierra próxima al edificio con el sistema eléctrico y la estructura metálica de este. De este modo, en caso de impactar un rayo, las instalaciones tendrán aproximadamente el mismo potencial, y, al mantenerse un gradiente de potencial bajo, los daños se reducirán al mínimo.
Si una línea de suministro de media tensión (más de 1.000 V) entra en contacto con una línea de baja tensión, se puede producir una drástica sobretensión en las instalaciones cercanas. Un electrodo de baja impedancia permite limitar el aumento de tensión en las instalaciones. Igualmente, una conexión a tierra de baja impedancia proporciona una ruta de regreso para los transitorios generados por el suministro.
Impedancia del electrodo de conexión a tierra
La impedancia desde el electrodo a la tierra depende de dos factores: la resistividad de la tierra circundante y la estructura del electrodo.
La resistencia es una propiedad que poseen todos los materiales y define su capacidad para conducir corriente. Determinar la resistividad de la tierra es complicado por lo siguiente:
- Depende de la composición del suelo (como la arcilla, la grava y la arena)
- Puede variar incluso en pequeñas distancias debido a la mezcla de diferentes materiales
- Depende del contenido mineral (por ejemplo, sal)
- Varía con la compresión y puede variar con el tiempo debido al asentamiento del terreno
- Cambia con las temperaturas bajo cero y, por lo tanto, con la época del año. La resistividad aumenta cuando disminuye la temperatura.
- Puede verse afectada por tanques de metal enterrados, tuberías, barras de refuerzo, etc.
- Varía con la profundidad, normalmente descendiendo en función de esta
Puesto que la resistencia tiende a disminuir con la profundidad, una forma de reducir la impedancia de la tierra es colocar el electrodo a mayor profundidad. Otros métodos comunes para aumentar el área de eficacia de un electrodo son el uso de una serie de picas, un anillo conductor o una malla. Las diferentes varillas deben encontrarse fuera de sus respectivas "áreas de influencia" para que sean más efectivas. Como regla general, los elementos deben respetar una separación superior a su longitud. Por ejemplo, las varillas de 2,5 m se deben separar más de 2,5 m para alcanzar el grado óptimo de eficacia. El código NEC especifica 25 ohmios como el límite aceptable de la impedancia de los electrodos. El Estándar IEEE 142, Prácticas recomendadas para la conexión a tierra de sistemas eléctricos industriales y comerciales ("Libro verde"), sugiere una resistencia entre el electrodo de conexión a tierra principal y la conexión a tierra de 1 a 5 ohmios para sistemas comerciales o industriales de gran tamaño.
Las autoridades locales, entre las que se incluyen las autoridades competentes y los gestores de planta, se encargan de determinar los límites aceptables para la impedancia de los electrodos de tierra.
Nota: los sistemas de distribución eléctrica suministran corriente alterna y los comprobadores de conexión a tierra utilizan la corriente alterna para las comprobaciones. Así que podría pensarse que hablamos de impedancia, no de resistencia. Sin embargo, en las frecuencias de las líneas eléctricas, el componente de resistividad de la impedancia de la tierra suele ser bastante mayor que el componente reactivo. Por esta razón, los términos impedancia y resistencia se utilizan en el texto casi de manera intercambiable.
Para obtener descripciones detalladas de la comprobación de caída de potencial de 3 y 4 polos, la comprobación selectiva, la comprobación sin picas y la comprobación bipolar, consulte Cómo utilizar comprobadores de conexión a tierra para cables y polos (PDF).