Resumen de Presentación de ICA - Procobre, Abr. 2016: El electrodo de puesta a tierra.

1. EL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA
(PARTE 1 DE 2)
Introducción
En toda instalación eléctrica es necesario garantizar la seguridad de las personas que harán uso de ella o que estarán
en su cercanía. El sistema de tierra es un medio para tratar de alcanzar esa seguridad. La instalación puesta a tierra tiene
como misión establecer contacto físico con ella, se logra con el Electrodo de puesta a tierra.
El Electrodo es un cuerpo metálico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados, en contacto con el terreno
y destinados a establecer una conexión con el mismo. (artículo 250-52 de NOM-001-SEDE-2012).
Las razones de puesta a tierra de sistemas y equipo eléctrico se pueden identificar de la manera siguiente:
- Legislación eléctrica: cumplimiento normativo.
- Protección: a personas y otros seres vivos, manteniendo cubiertas y gabinetes metálicos de equipo eléctrico a un
mismo potencial.
- Asegurar operación de dispositivos de protección: por falla de aislamiento y contacto accidental con líneas
electrificadas.
- Limitar el nivel de tensión: por descargas atmosféricas y electrostáticas.
- Reducir acoplamiento electromagnético: entre equipo y líneas eléctricas.
- Protección y desempeño de equipo de operación eléctrica: manteniendo una tensión referencial al mismo.
Los componentes del Sistema de tierra son:
- La tierra: el terreno natural.
- El electrodo de puesta a tierra: varilla, tubo, banda, placa, anillo.
- El conductor de electrodo.
- El equipo o sistema puesto a tierra.
- El conductor de puesta a tierra del equipo o sistema.
Resistividad del terreno
La composición de la tierra es variable, puede tener capas y depósitos de diferente material, oquedades, presencia de
agua y material d ela ingeniería civil, en forma horizontal y vertical, la zona superficial (no profunda), donde se instala
el electrodo, se afecta por: lluvia, helada, erosión.
Los modificadores de la resistividad del terreno (sin intervención humana) son:
- Composición, su naturaleza.
- Sales solubles y su concentración, la conductividad es electrolítica.
- Higrometría, contenido de agua o grado de humedad.
- Granulometría, cantidad de contacto con el electrodo.
- Compacidad, la resistividad disminuye al compactar el terreno.
- Estratigrafía, capas de diferente material que lo constituye.
La resistividad es determinante para el valor de la resistencia a tierra del electrodo, es una propiedad del terreno. La
composición del suelo, las sales y minerales disueltas en él y la época del año (humedad y temperatura) son variables
que influyen en su valor, sus propiedades geotécnicas también influyen en su valor, permeabilidad, compresibilidad,
densidad relativa, intemperismo. La resistividad del terreno ‘’ se expresa en  m, es la que presenta un cubo de
terreno de un metro de lado: l = 1 m
s = sección (m2
)
l = largo (m)
R = resistencia longitudinal ()

2. La resistividad del terreno es una magnitud variable, es independiente de la intensidad de corriente que lo recorre, se
modifica en un terreno después de la obra civil, la presencia de cuerpos metálicos la modifica.
La Conductividad del terreno es principalmente un proceso electrolítico (agua y sales contenidas), en un terreno seco
depende del tamaño de las partículas, su porosidad y el aire aprisionado entre ellas.
Respuesta del electrodo
Resistencia a la propagación (algunos autores le llaman Resistencia a Tierra o simplemente Resistencia), depende del
tipo y la dimensión del electrodo, la conductividad del terreno, la profundidad de enterramiento del electrodo.
Potencial de electrodo, producto de la corriente introducida por la resistencia a la propagación.
Potencia de electrodo: Es la potencia eléctrica disipada en el electrodo derivado de la corriente circulante y la
resistencia que presenta el electrodo. Útil para el análisis térmico del electrodo.
Superficie del electrodo: Área en contacto con el terreno, para el análisis de su eficiencia.
Disipación térmica: Calentamiento del electrodo y del terreno circundante, por la circulación de corriente.
Intensidad de campo eléctrico y magnético: Generado por la circulación de corriente
Resistencia a tierra
Es la que presenta un electrodo (formado por uno o mas electrodos individuales) al paso de la corriente eléctrica desde el
electrodo hasta un punto distante, en un determinado lugar, es necesario calcular su valor para:
 Cumplir requerimientos normativos.
 Cumplir requisitos de fabricante para operación de equipo eléctrico/electrónico.
 Calcular las tensiones de paso y de contacto derivado de corrientes de falla o descarga atmosférica.
Una vez colocado el electrodo en el sitio determinado en el diseño, se recomienda realizar la medición para corroborar
que el valor medido este dentro del límite del valor solicitado. Habrá diferencia con el cálculo, los terrenos no son
homogéneos.
La medición de la resistencia a tierra deberá realizarse por un método aceptado por la normatividad local como el de
caída de potencial indicado en la norma mexicana NMX-022-STPS-2015.
La resistividad del terreno varía por condiciones climáticas y contenido de sales

3. Especificaciones normativas mínimas a cumplir
(según la norma oficial mexicana NOM-001-SEDE-2012)
250-50. Sistema de electrodos de puesta a tierra. Todos los electrodos que estén presentes en cada edificio o estructura
alimentada, se deben unir entre sí... En ningún caso, el valor de resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta
a tierra puede ser mayor que 25 ohms.
Tipos de electrodos
La norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2012 permite los electrodos que establece en su artículo 250-52 como se
indica a continuación:
250-52. Electrodos de puesta a tierra.
a) Electrodos permitidos para puesta a tierra.
1) Tubería metálica subterránea para agua. …3.00 metros o más...
2) Acero estructural del edificio o estructura. …conectada a la tierra...
3) Electrodo recubierto en concreto. …al menos 6.00 metros…
4) Anillo de puesta a tierra. …mínima 6.00 metros de conductor de cobre...
5) Electrodos de varilla y tubería. …no menos de 2.44 metros de longitud...
6) Otros electrodos. …aprobados.
7) Electrodos de placa. …mínimo 0.20 m2 de superficie expuesta al suelo...
8) Otros sistemas o estructuras metálicas subterráneas locales. …sistemas de tuberías, tanques subterráneos y el
ademe metálico de pozos...
Algunos requerimientos de ubicación de los electrodos en el terreno se indican a continuación (para la norma antes citada
en México, otros países deberán cumplir sus requerimientos normativos) :
250-53. Instalación del sistema de electrodo de puesta a tierra.
a) Electrodos de varilla, tubería y placa.
1) Abajo del nivel permanente de humedad…
3) Electrodo adicional. …separados cuando menos de 1.80 metros.
d) Tubería metálica subterránea para agua. …debe satisfacer…
f) Anillo de puesta a tierra. …profundidad mínima de 75 centímetros.
g) Electrodos de varilla y tubería. …al menos una longitud de 2.44 metros…
h) Electrodo de placa. …75 centímetros por debajo de la superficie…
Es importante cumplir lo establecido en la norma para cada una de las diferentes instalaciones, como podrían ser centros
de salud, estaciones de combustible, líneas eléctricas aéreas o subterráneas, entre otras, a continuación se observa
algunos valores aceptables de resistencia a tierra para un tipo de uso:
Instalaciones destinadas al servicio público
921-18. Resistencia a tierra de electrodos. …resistencia a tierra baja… (aceptable 10 ohms; en terrenos con alta
resistividad …hasta de 25 ohms).
b) Sistemas de un solo electrodo. … la resistencia a tierra no exceda de 25 ohms... Para instalaciones subterráneas el
valor recomendado …es 5 ohms o menos.
Para alcanzar el valor de resistencia establecido en la normatividad o solicitada por fabricantes de equipo de operación
electrónica se pueden utilizar alguna de las soluciones siguientes o un conjunto de ellas.
Técnicas de disminución de resistencia a tierra
- Aumento de dimensiones del electrodo (longitud, diámetro, área)
- Aumento del número de electrodos
- Aumento de la profundidad de enterramiento
- Selección de diferentes tipos (forma geométrica) de electrodos
La selección del tipo de electrodo (forma geométrica), su número y disposición final en el terreno esta determinado
principalmente por la resistividad del terreno (), por el valor de resistencia a alcanzar (R), por el área disponible para
ubicación del electrodo(s). Para diferentes tipos de electrodos, diferentes autores han desarrollados expresiones
matemáticas que cumplen el propósito de cálculo de la Resistencia, la potencia disipada y la tensión de paso y de contacto
a cierta distancia del electrodo.

4. Electrodo tipo: Semiesférico
Este electrodo tiene poco uso en la práctica (tanques metálicos de combustible) y es la base para entender los flujos de
corriente que pueden generar otros electrodos y además es utilizado como modelo para electrodos de otras formas
geométricas como son los “dado” de concreto armado de ingeniería civil.
En este tipo de electrodo la corriente tiene trayectoria perpendicular al terreno en la frontera electrodo – terreno, es un
electrodo superficial, radial en su comportamiento, en contacto con el terreno. En evento de corriente de falla, esta fluye
a través de la impedancia del sistema de puesta a tierra, todos los metales expuestos conectados a éste experimentan
elevación de tensión.
Las expresiones matemáticas para este tipo de electrodo se observan a continuación, es importante indicar que
diferentes autores podrán tener algunas diferencias en sus expresiones dependiendo de los supuestos que hayan, tomado,
sin embargo el resultado matemático obtenido, en todos los casos, es similar. Las expresiones que se muestran en este
documento (a menos que se indique algo diferente) corresponden a: “Problemas de Ingeniería de Puesta a Tierra”,
Miguel de la Vega Ortega, ed. LIMUSA, 2ª edición.
Electrodo semiesférico: Expresiones para cálculo
Potencia del electrodo: P = (/2r) I2
=  I
Resistencia a la propagación: R = /2r =  /I
Potencial de electrodo:  = (/2r) I = I R
Superficie del electrodo: S = 2r2
Potencial fuera del electrodo: X = (/2x) I
Tensión de paso: VP = (Is) / (2x)(x+s)
Las expresiones de cálculo para cualquier electrodo varía si este último es colocado a nivel superficial (base de un
tanque de combustible con fondo plano), enterrado a cierta profundidad “t”, o en forma vertical u horizontal (electrodo
tipo placa).
El potencial en la superficie del terreno depende de la distancia a este.
Donde:
 = resistividad del terreno (m)
r = radio del electrodo (m)
I = corriente inyectada (de falla) (A)
x = distancia de la superficie del electrodo al punto x (m)
s = paso hombre (m)

5. Electrodo esférico enterrado a profundidad t
Resistencia a la propagación: R = (/4)(1/r + 1/2t)
El potencial del electrodo:  = (I/4)(1/r + 1/2t)
Potencial en la superficie: S = (2I) / 4(A2
+ t2
)1/2
Electrodo semiesférico como modelo
Para electrodos de otras formas geométricas que en el infinito se comportan como fuentes puntuales.
Cimiento de concreto armado (ver requisitos de la normatividad que corresponda)
- Se analiza como electrodo natural, que esté en contacto con el terreno.
- Es un electrodo “natural” de la ingeniería civil: Anuncios espectaculares, Torres de transmisión, Postes para uso
eléctrico, Transformadores de subestaciones.
- Debe estar auxiliado por un electrodo “artificial” de los aprobados en la norma correspondiente.
- Es ineficiente comparado con el anterior.
Ejercicio: Determinar las características del cimiento de un anuncio bancario de cemento armado.
Datos: Dimensión: 1,2m x 1,2m x 1,2m; : 100m;
Solución
Volumen del electrodo: Ve= 1,23
= 1,73 m3
Volumen de la semiesfera: VS = ½ 4r3
/3
Radio de la semiesfera: r = 0,94 m
Resistencia a la propagación: R =  / 2r = 17 
Potencial en el electrodo:  = R I = 17 I
Diferentes electrodos o variantes de ubicación tienen sus expresiones
para el cálculo de los parámetros eléctricos.

6. Esta presentación fue elaborada por Soluciones Integrales en Alta Tecnología (SIATSA) en colaboración con Procobre
Centro Mexicano de Promoción del cobre A.C., con el propósito de difundir y diseminar diferentes aspectos relacionados
con ventajas y beneficios para quienes adopten o implementen lo aquí expuesto. Se preparó y revisó por personas
conocedoras del tema, sin embargo, el Centro Mexicano de Promoción del Cobre y otros organismos participantes no se
responsabilizan de su aplicación ni de la profundidad en relación a su contenido, ni por cualquier daño directo, incidental
o consecuencial que pueda derivarse del uso de la información o de los datos aquí mostrados.
ICA – Procobre
Red de instituciones latinoamericanas cuya misión es la promoción del uso del cobre, impulsando la investigación y el
desarrollo de nuevas aplicaciones y difundiendo su contribución al mejoramiento de la calidad de vida y el progreso de
la sociedad. www.procobre.org
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