¿CÓMO SE DISEÑAN Y EJECUTAN
PUESTAS A TIERRA PUNTUALES
DE BAJA RESISTENCIA?

RESUMEN

El suelo peruano presenta altas resistividades, tanto en las áreas urbanas, por su filiación aluvial, o deluvial como en las extensas zonas rurales y no habitadas, tratándose de la costa casi exenta de precipitaciones fluviales, predominan los arenales y suelos secos con bases pedregosas, en cambio en la sierra dotada de lluvias estacionales, la cobertura es delgado y el subsuelo rocoso; y en cuanto respecto a la selva los estratos superficiales humedecidos por las lluvias han perdido sus sales naturales y el basamento es variable.

Esta apreciación panorámica del comportamiento eléctrico de los suelos, su conformación y el examen de las bases de datos de sondeo geoelectricos verticales, permiten establecer para las resistividades un promedio equivalente de 300 ohm-m, parámetro, que puede ser asumido directamente cuando se obvian las medidas de resistividad en el sitio y su procesamiento, debiendo tener en consideración que existe una probabilidad el 25% de que pueda ser mayor; aparte lo cual también cabe destacarse la dificultad del clavado de electrodos en los suelos urbanos de la costa, sierra y selva alta, y también en las zonas rurales y deshabitadas de la sierra y selva alta, hecho que obliga a hacer excavaciones para enterrar los electrodos de aterramiento.

Dentro de éste contexto, el Diseño formal y la ejecución de la Puestas a Tierra de baja resistencia de dispersión, se dificulta sobremanera, dando lugar de un lado, a la proliferación del uso de compuestos químicos algunos de ellos tóxicos,y de otro lado; al uso indiscriminado y depredatorio de la Tierra de Cultivo, por su contenido de sales fertilizantes que la hacen más conductiva, un pozo de Puesta a Tierra debilita o elimina 5 m2 de área cultivable. Agregándose a ello, se sugiere el uso innecesariamente de electrodos de gran superficie o desarrollo, o también en contradicción con la evacuación de las corrientes a tierra, se recomienda utilizar electrodos auxiliares en forma de espiral. Todos esos inconvenientes actualmente han sido superados en forma racional, habiéndose consolidado el Método Ecológico Simplificado.

2. ¿QUÉ FINALIDAD TIENEN LAS PUESTAS A TIERRA ?

Son instalaciones subterráneas de Electrodos desnudos en contacto directo con el suelo, destinadas a brindar la Seguridad Eléctrica, que preveen las normas y asegurar el correcto funcionamiento de los aparatos conectados al circuito eléctrico, aparte otros beneficios en la calidad del uso del servicio eléctrico, tienen dos finalidades importantes:

Las corrientes que se canalizan hacia tierra tienen diversos orígenes y amplitudes, en todos los casos, su dispersión en el suelo se hace a través de la Resistencia total del sistema de puesta a tierra (circuito, conexiones, componentes), cuya magnitud en lo posible debe ser mínima para asegurar la protección de las personas lo cual depende la eficiencia lograda en la instalación de los electrodos en el suelo.

El comportamiento de la Tierra como un sumidero infinito de carga, hace que su potencial sea cero (V = 0); luego, todo aparato eléctrico cuya Masa sea conectada a la Tierra estará provisto de dicho Potencial de Referencia cero, que propiciará tanto su óptimo funcionamiento, como el de los dispositivos asociados a él.

Los equipos electrónicos de todo tipo exigen este requisito para su correcto funcionamiento dado que utilizan pequeños voltajes de operación y son muy sensibles a toda variación de tensión.

La protección de las personas tanto de los gradientes peligrosos de tensión, como de los toques eléctricos, se hace mediante la conexión de todas las masas de los aparatos eléctricos y de la infraestructura metálica próxima, al Electrodo de Puesta a tierra; esta pauta se debe cumplir cuales quiera que sea el Sistema de Suministro Eléctrico que alimenta el circuito interior.

Cuando las masas no están conectadas a tierra, el potencial de referencia en ellas es "flotante" es decir diferente de cero, dependiendo de las capacitancias parásitas hacia tierra, en tal caso ocurre la electrización espontánea de las masas ya sea con un potencial de carga estática o con el potencial de falla, luego hay peligro potencial y además el funcionamiento de los aparatos que tienen componentes electrónicos no es satisfactorio o no es correcto.

Conduce en permanencia, en forma inofensiva, a través de su Resistencia de Dispersión, pequeñas corrientes de distinto origen; y ocasionalmente, durante muy cortos períodos previos al funcionamiento de la Protección eléctrica, mayores corrientes generalmente asociadas a fallas del aislamiento a otras por inducción o descarga atmosférica.

A. Funcionamiento Permanente

La Dispersión de pequeñas corrientes de funcionamiento de aparatos, tales como Fuga de Aislamientos, desbalance de Cargas, o aquellas de recorrido errático, como las Geomagnéticas e Inducidas; impide la Carga y electrización de las Masa de los Aparatos eléctricos y de los objetos metálicos próximos, evitando Toques Eléctricos instantáneos y persistentes, que indirectamente pueden ocasionar accidentes a las personas e incorrecto funcionamiento de los Equipos Electrónicos.

La evacuación de pequeñas corrientes en el suelo, y bajo tales condiciones, la Referencia de Potencial Cero en las Masas de los aparatos eléctricos, no exigen bajas Resistencias de Puesta a Tierra; excepto cuando las corrientes son mayores (fallas, rayos).

B. Funcionamiento Ocasional

Las grandes corrientes a Tierra, provienen de las fallas del aislamiento de los aparatos y circuitos eléctricos, pueden ser "Fallas Francas y Fallas Amortiguadas"; asimismo, de los impactos "directos o indirectos" de las descargas atmosféricos; en todos estos casos hay peligro para las personas. La conexión de todas las Masas y estructuras metálicas a la Puesta a Tierra, permite la seguridad, contando adicionalmente con que los Fusibles o Interruptores, actúen para evitar que se queme la instalación eléctrica.

Para asegurar la Protección a Tierra, la Resistencia de Dispersión (Rt) será < 25 Ohm. cuando el Neutro de la Red de Suministro está aislado de Tierra, y < 2 Ohm. cuando dicho Neutro está conectado a Tierra; en ambos casos, las Normas estipulan un límite de < 25 Ohm; mientras que para Descargas Atmosféricas (Rt) deberá ser < 2Ohm.

Presenta una configuración sencilla, basada en un Electrodo simple, embutido en un Relleno conductor, dentro de una excavación, con una de sus extremidades accesible para la conexión del circuito de puesta a tierra de las masas.

A. Puestas a Tierra con Electrodo Vertical

Son las que más se aplican por el mínimo espacio que necesitan, se utiliza un electrodo simple tipo Varilla de Cobre (Jabalina); el modelo propuesto permite lograr Resistencias de Dispersión entre 6 y 12 Ohm.

B. Puestas a Tierra con Electrodo Horizontal

Se aplican poco, sólo cuando el subsuelo es rocoso, se emplea un Electrodo Simple de Cobre tipo Pletina o un Conductor desnudo; el modelo propuesto permite lograr Resistencias de Dispersión entre 7 y 14 Ohm.

1. Registro con Tapa (Opcional)
2. Electrodo Principal
3. Grapa Desmontable
4. Conductor de Conexión
5. Pozo vertical / Zanja Horizontal
6. Relleno Conducto
7. Lechos de Sal
8. Niveles de Impregnación

D. Configuraciones de Acabado

* Modelo Cerrado (con Caja de Registro y Tapa).- Aplicado en lugares con tránsito peatonal y vehicular, y cuando se preveen medidas y conservación.

* Modelo Abierto (con Hoyo o Canal en Suelo natural).- Conserva la armonía del lugar sin tránsito peatonal (jardines), se le cubre con una baldosa señalizada.

* Modelo Ciego (Totalmente cubierto).- Aplicado en áreas utilitarias o decorativas, cubiertas por una losa o por nivelación del suelo, se les señaliza.

5. ¿CÓMO SE DISEÑA UNA PUESTA A TIERRA PUNTUAL ?


El Diseño formal de una puesta a tierra puntual aplica todos los conceptos del Diseño de una Puesta a Tierra de Seguridad por control de gradientes; en realidad la diferencia estriba en la determinación de las Tensiones de Toque y de Paso y en la selección de los electrodos, que para ésta última se hace como paso inicial a partir de Electrodos de gran cobertura tales como Grillas o Redes Malladas, mientras que la técnica de los Aterramientos puntuales se aplica a través de los Electrodos más simples; prevaleciendo para ambos casos, la consecución de la más baja Resistencia de Dispersión, con el siguiente desarrollo.

En la evaluación del comportamiento del suelo como conductor eléctrico, a partir de las medidas de la Resistividad aparente realizadas con un Telurímetro y procesadas para establecer las Resistividades del Perfil Estratificado del Suelo, que se aplican al Diseño en forma directa para los Electrodos horizontales (contrapesos), o bien calculando el valor equivalente para los Electrodos verticales que atraviesan dos o más estratos.

A.- Parámetros de Diseño a Partir de Medidas Wenner

Aplicando el Método de WENNER, se harán cuatro Sondeos de Medida, para obtener (pia), cada uno con el despliegue de (4) Electrodos (C1, P1, P2, C2), clavados en suelo firme a 0.1 m. de profundidad y espaciados en línea recta a una misma distancia (a), de 1.0, 2.0, 4.0, 8.0 m.

Con dicho juego de valores (r ia, ia), se establece la característica de variación eléctrica vertical del suelo que al ser procesada con el método de TAGG, permite obtener los parámetros buscados (r 1, r 2, h1). que identifican como mínimo a un suelo de dos estratos. La igualdad (r 1=r 2) que define al suelo con una resistividad uniforme, sólo se mantienen para valores bajos de ia), dado que realmente no existen suelos homogéneos.

B. Parámetros de Diseño con Medidas Indirectas.

Para evaluar la Resistividad de Diseño en valor equivalente a una profundidad dada se puede aplicar la medida de la Resistividad de Dispersión ( R ) de un Electrodo Explorador de fierro (1= 1.2 m, d = 0.013 m) clavado a 1.0 m. de profundidad. Esta alternativa muchas veces no se posibilita por la dificultad del clavado.

Aplicando el Método de Caída de Potencial, se harán dos medidas (Ri) al Electrodo Explorador (C1), con dos despliegues de Electrodos, (P2, C2), clavados en suelos firme (a 0.15 m de profundidad), ambos en línea recta radial, con las que se calcula finalmente los valores (r i)) que se promedian.

r i= 1.25 Ri

para las medidas, el suelo no deberá estar mojada o regado por lo menos durante una semana; de otro lado, en caso de haber grama o hierbas menudas, estos serán retirados en la base de los electrodos de medida antes de clavarlos por el contrario, si el suelo está totalmente seco, se vertirá un poco de agua en el hueco de penetración de los electrodos al ser clavados.

A partir de la disponibilidad de espacio y la resistividad de diseño, se establecen el tipo y la forma de instalación del Electrodo de Puesta a Tierra, que deberá ser perfectamente de Cobre Macizo por su Alta resistencia al ataque corrosivo del suelo que otros materiales aún con protección de superficie, no pueden asegurar en el tiempo; asimismo se deberá optimizar su capacidad de dispersión, mediante la maximización de su geometría con el uso de un Relleno conductor neutro.

Existe en el mercado, varillas de Cobre Temple duro, ya cortadas en longitudes Estandarizadas de 2.0, 2.5, 3.0 y 3.5, con diámetros a escoger de 0.013 y 0.019 m; se elige el tamaño más comercial que tiene 2.5 m. de longitud (2.44 real) con 0.013 o 0.019 m. de diámetro; el cual puede optimizar con el relleno en el pozo según el modelo analítico

B. Los Electrodos Horizontales

Las pletinas de Cobre, existen en el mercado a partir de 3.0 m de longitud, con secciones diferentes; la más adecuada será (0.003 m x 0.04 m); deberá taladrarse un hueco de 0.013 m. en uno de los extremos En caso de escasez se podrá utilizar un conductor de Cobre desnudo de 100 mm2 temple Semi Duro o Blando. El modelo también puede ser optimizado con el relleno en una zanja,

La dispersión de corrientes en el Suelo mediante Electrodos de gran superficie (circulares, Cuadrangulares, Esféricos Ortogonales, etc.), puede ser igualada con Electrodos simples y económicos de geometría optimizada, mediante una instalación que aproveche las excavaciones para incluir Rellenos y tratamientos del Suelo.

En caso de requerir bajar Resistencias de dispersión entre 3 y 4 ohmios, a partir del primer Aterramiento ejecutando se pueden adicionar otros similares, tratándose de Electroos verticales se puede contemplar la instalación de hasta cuatro en paralelo a 6 m. de distancia uno de otro, en cualquier disposición; mientras que con electrodos horizontales se puede llegar hasta 12 m. en disposición abierta o cerrada; , en ambos casos existe la formulación para determinar la resistencia total de Dispersición para determinar la resistencia total de dispersión en forma aproximada.

Tratándose de instalaciones combinadas dichos parámetros se obtiene resolución el sistema de ecuaciones que involucran la presencia de las resistencias mutuas entre electrodos.

5.4 ESTIMAR EL PRESUPUESTO APROXIMADO

Se preverá la adquisición de materiales e insumos, mano de obra y servicios conexos, a partir de los siguientes precios referentes del mercado de detalle, en U.S. Dólares a Noviembre 1998.

La diferencia de los modelos de P.A.T. se circunscribe al acabado exterior, con o sin Caja de Registro; de los modelos de P.A.T. se circunscribe al acabado exterior, con o sin Caja de Registro; de ese modo, los costos sin incluir Dirección Técnica, Seguros, Utilidades ni Impuestos, resumen:

Nota: En lugar de la Pletina de Cobre especificada, también puede utilizarse un conductor cableado de Cobre de 100 mm2 de sección, de igual longitud.

(*) Según el C.N.E. la sección mínima deberá ser de 10 mm2 (Nº 8 AWG)
(**) Según dimensiones del recorrido del conductor de conexión.

El trabajo debe iniciarse con la ubicación precisa del punto o línea del suelo a ser removido, a partir de la exclusión de la presencia de toda canalización o estructura subterránea tanto de los servicios propios como de los servicios externos que ingresan o pasan; la ejecución no obstante, será cuidadosamente, dado que pueden hallarse instalaciones no consignadas en los planos.

La dirección del trabajo de campo además de estar compenetrada con los circuitos e instalaciones eléctricas aéreas, subterráneas y de interior del local, debe estar capacitada para la lectura e interpretación de los planos de construcción, en lo que se refiere a la ubicación de canalizaciones y estructuras subterráneas.

Asimismo deberá tomar precauciones en relación a roturas accidentales derrames o fugas y tener conocimiento de su reparación.

Adicionalmente la Mano de Obra Directa deberá ser confiada a peones entrenados en el trabajo de albañilería a nivel de ayudante, muchas veces las excavaciones demandan la rotura de losas tanto utilitarias como ornamentales, lo cual exige labores cuidadosas de reposición.

El trabajo en general no conlleva peligros ni eléctricos ni físicos de otra índole por tratarse de una obra sencilla; no obstante, es recomendable dotar al personal, de indumentaria de seguridad y asegurarlo contra todo riesgo de accidentes.

En esta etapa debe asegurarse la disponibilidad de las herramientas, equipos y accesorios para la instalación.

Durante la excavación, la tierra fina será separada de los conglomerados gruesos que no son reutilizables para el relleno, asimismo en caso de hallar tuberías, ductos o estructuras subterráneas, se procurará pasar lateralmente sin ocasionar daños; en caso de ser ductos eléctricos, en lo posible se deberá hacer un corrimiento de reubicación de las excavaciones.

A) Excavación y Preparación del Pozo

Para un Electrodo de 2.5 m(1) y 0.013 m(d) normalmente se prevee de hasta 2.8 m de profundidad y 1.0 m. de diámetro, en la boca dimensiones que permite el trabajo normal de dos peones en algo más de media jornada.

En suelos deleznable, se amplía la boca del pozo con una o dos grada laterales de 0.8 m de alto, para la fácil extracción del material; en caso necesario también se puede aplicar un empalizada similar a la de las excavaciones de pozos artesianos.

La preparación del lecho profundo consiste en verter, en el pozo una solución Salina de 25 Kg. De Na CI en 150 litros de agua (un cilindro), y esperar a que sea absorbido par luego espacir 15 Kg. De sal en grano en el fondo.

Las Pletinas de 3,0 m(L), 0.003 m(e ) x 0,04 m(a) teniendo doblada la extremidad emergente (0,5 m) para la conexión, se instalan en zanjas de (3,0 m) de longitud y (0,85 m) de profundidad que puede tener una boca de hasta (0,6 m) para una base de (0.5 m) trabajo que toma media jornada a dos peones.

Cuando el suelo es deleznable, la excavación se hace la talud natural, en ocasiones se habilitará empalizadas con travesaños. Cuando la cobertura húmeda de tierra fina natural no es muy gruesa, la profundidad de instalación puede disminuirse hasta (0.75 m), para aprovechar dicho estrato.

La preparación del suelo consiste en verter en la zanja, dos dosis de Solución Salina cada una de 25 kg. De NaCI en 150 litros de agua y esperar su filtración para luego esparcir 25 kg. En el fondo.

El relleno se prepara mezclando en seco l atierra fina con la Bentonia; la tierra fina de procedencia externa, puede ser seca y fósil de cualquier lugar excepto de terreno de cultivo, porque es corrosivo y también ataca al Cobre, Además de significar un uso depredatorio que anula un área de (5m2) por cada pozo ejecutado.

Se esparce lentamente la mezcla Tierra con bentonita con abundante agua de modo que se forme una argamasa.

El electrodo simple o con auxiliares, se ubica al centro del pozo; si es simple se le puede dejar para clavarlo al final.

A una altura de (1,2 m) desde el fondo, se vierte una dosis de solución salina esperando su absorción antes de esparcir 10 Kg. De sal en las paredes del pozo (collar de sal).

Continuando el relleno, a una altura de (2,3 m) desde el fondo se vierte una nueva dosis de solución salina y se espera su absorción antes de continuar con el relleno de acabado.

Se esparce lentamente la mezcla Tierra + Bentonita con abundante agua de modo que se forme una argamasa.

A una altura de (0,2 m) desde el fondo, se coloca la Pletina y se continúa el rellenado.

A una altura de (0.5 m) desde el fondo se vierte una nueva dosis de Solución salina y se espera su absorción antes de continuar con el relleno de acabado.

En ambos casos la cobertura final se hace con la misma tierra del sitio para reproducir el aspecto externo, y/o preparar la base para la Caja de Registro a ser construida o bien colocada; se debe tener presente que al cabo de 24 horas, la superficie el área rellenada se hundirá (0,1 m), lo cual obliga a prever la cobertura en forma sobresaliente al nivel natural del suelo.

Es la verificación de la capacidad de evacuación y dispersión de corriente en el suelo, a cargo de la Puesta a Tierra sola (desconectada); las medidas se hacen con un esquema de conexiones que depende e la geometría del electrodo enterrado , se utiliza un Telurómetro portátil de 3 ó 4 Bornes.

Con el principio de "caída de Potencial", se tiene un circuito de corriente (C1, C2) y un circuito de Potencial (C1, C2) definiéndose tres puntos esenciales.

C1: Electrodo de Puesta a Tierra
P2: Electrodo de Potencial a distancia (p)
C2: Electrodo de referencia a distancia (d)

Con la expresión teórica de la resistencia de Dispersión (Rj) del electrodo en suelo natural, se determina (ro) al compararla con el parámetro equivalente (Rt) que se obtiene con medidas bajo el principio de caída de potencia, es decir (Rj = Rt).

7. ¿COMO SE HACE LA INSPECCION Y
CONSERVACION DE LA PUESTA A TIERRA ?


Las Puestas a Tierra por su ubicación y funcionamiento discreto son olvidadas con el transcurso del tiempo, lo cual no favorece a la permanencia de sus características eléctricas y sus prestaciones, que merecen solo una esporádica atención de conservación.

Consiste en retirar el Brone a la Grapa de Presión para su limpieza con trapo y luego con escobilla metálica y lija fina (120).

esta labor es idéntico a la anterior, se hace con el consentimiento de todo los usuario es llegado el caso, utilizando una PAT temporal.

La conservación óptima de los modelos propuestos, se logra inundando con unos 30 litros de agua el interior de la Caja de Registro o el hoyo exterior, cada cuadro o seis meses.

La utilización doméstica de computadora y equipo electrónicos de alta fidelidad o precisión requiere de Resistencias de Dispersión relativamente bajas, consecuentemente toda instalación que presente más de 10W será posible de renovación.

En estos casos se aplica el método propuesto utilizando la misma tierra del relleno del pozo, lijando completamente los electrodos y poniendo nuevos accesorios de conexión a presión; también se deberá revisar y probar la continuidad del conductor de conexión hasta el tablero eléctrico.

1. Ante la diversidad de métodos empíricos de ejecución de puesta a tierra se propone un método que da la mínima Resistencia de Dispersión, basado en la optimización de los electrodos mediante el uso de un relleno conductor neutro e hidroscopico persistente e inocuo.

2. La aplicación del método propuesto a aterramientos difíciles de líneas eléctricas, data de 1978, habiendo manteniendo su mayor eficacia, menor resistencia de dispersión y durabilidad frente a aterramientos similares ejecutados con otros métodos que aplican productos químicos discutibles.

3. El método propuesto permite asegurar la más baja resistencia de dispersión obtenibles con los aterramientos puntuales, con un mínimo corto es descartando el uso de sales tóxicas y la depredación de la tierra de cultivo.

Lima, Febrero de 1999