Este documento presenta los fundamentos del cálculo y diseño de sistemas de puesta a tierra. Explica conceptos clave como electrodo de tierra, conductor de puesta a tierra y resistividad del terreno. También describe cómo las características eléctricas del terreno y la configuración del electrodo de tierra afectan a la resistencia de puesta a tierra y la distribución del potencial en la superficie del suelo. El objetivo final es diseñar un sistema de puesta a tierra que cumpla con los requisitos de seguridad,

1. Guía de Calidad de la Energía Eléctrica
Puesta a tierra
y EMC 6.3.1
Sistemas de Puesta a Tierra
Fundamentos de Cálculo y Diseño
Puesta a tierra y EMC
∆V*T
∆V*S

2. Puesta a Tierra y EMC
Sistemas de Puesta a Tierra
Fundamentos de Cálculo y Diseño
Prof Henryk Markiewicz & Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
Junio 2003
Esta Guía ha sido publicada como parte de la Iniciativa Leonardo para la Calidad de la
Energía Eléctrica (LPQI), un programa europeo de formación y educación respaldado por
la Comisión Europea (dentro del Programa Leonardo da Vinci) y la International Copper Association. Para
más información sobre LPQI visite www.lpqi.org.
Centro Español de Información del Cobre (CEDIC)
CEDIC es una asociación privada sin fines de lucro que integra la práctica totalidad
de las empresas fundidoras-refinadoras y semitransformadoras de cobre y de sus
aleaciones en España. Su objetivo es promover el uso correcto y eficaz del cobre y sus aleaciones en los
distintos subsectores de aplicación, mediante la compilación, producción y difusión de información.
European Copper Institute (ECI)
El European Copper Institute (ECI) es un proyecto conjunto formado por ICA
(International Copper Association) y los miembros del IWCC (International
Wrought Copper Council). Por medio de sus socios, ECI actúa en nombre de los
principales productores mundiales de cobre y fabricantes europeos promoviendo la utilización del cobre
en Europa. Fundado en Enero de 1996, ECI está respaldado por una red de diez Centros de Promoción del
Cobre en Alemania, Benelux, Escandinavia, España, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Polonia y Reino Unido.
ECI continúa los esfuerzos inicialmente emprendidos por la Copper Products Development Association,
fundada en 1959, e INCRA (International Copper Research Association) fundada en 1961.
Limitación de Responsabilidad
El contenido de este proyecto no refleja necesariamente la posición de la Comunidad Europea, y tampoco
implica ninguna responsabilidad por parte de la Comunidad Europea.
El European Copper Institute, la Wroclaw University of Technology, la Copper Development Association
UK y el Centro Español de Información del Cobre (CEDIC) rechazan cualquier responsabilidad por
cualquier daño directo, indirecto, consecuencial o incidental que pueda resultar del uso de la información,
o de la incapacidad de usar la información o los datos contenidos en esta publicación.
Copyright© European Copper Institute, Wroclaw University of Technology y Copper Development
Association UK.
Su reproducción está autorizada siempre que el material sea íntegro y se reconozca la fuente.
La LPQI es promovida en España por los miembros nacionales asociados al programa:
ETSII-UPM Fluke Ibérica, S.L. MGE UPS SYSTEMS Pirelli Cables y Sistemas Roberts & Partners
ESPAÑA, S.A.

3. Puesta a tierra y EMC
Sistemas de Puesta a Tierra – Fundamentos de Cálculo y Diseño
Introducción
La Sección 6.1 de esta Guía ofrece un resumen de los requisitos de un Sistema de Puesta a Tierra, y analiza
la necesidad de una solución sistemática para su diseño, refiriéndose a los aspectos relativos a la instala-
ción eléctrica en edificios. Esta nota de aplicación estudia el diseño del sistema de electrodos de tierra,
mientras que la Sección 6.5.1 proporciona una guía práctica sobre el diseño y el cálculo de electrodos de
tierra.
Un sistema de puesta a tierra, llamado a veces sencillamente “puesta a tierra”, es el conjunto de medidas
que se han de tomar para conectar una pieza eléctricamente conductora a tierra. El sistema de puesta a tie-
rra es una parte esencial de las redes de energía, tanto en los niveles de alta como de baja tensión. Se nece-
sita un buen sistema de puesta a tierra para:
la protección de edificios e instalaciones contra rayos;
la seguridad de vidas humanas y animales, limitando las tensiones de paso y de contacto a valores
seguros;
la compatibilidad electromagnética (EMC), esto es, para la limitación de las perturbaciones elec-
tromagnéticas;
el correcto funcionamiento de la red de suministro de electricidad y para asegurar una buena cali-
dad de la energía.
Todas estas funciones las ha de desarrollar un único sistema de puesta a tierra, que deberá diseñarse para
cumplir todos los requisitos. Algunos elementos de un sistema de puesta a tierra pueden disponerse para
que cumplan una finalidad específica, pero sin embargo forman parte de un único sistema de puesta a tie-
rra. Las normas exigen que todos los elementos de puesta a tierra de una instalación estén conectados en-
tre sí, formando un sistema.
Definiciones básicas [1,2]
Puesta a tierra o sistema de puesta a tierra es el conjunto de todos los medios y procedimientos por los
que una parte de un circuito eléctrico, las partes conductoras accesibles de los equipos eléctricos (partes
metálicas descubiertas) o partes conductoras próximas a una instalación eléctrica (partes metálicas ajenas
a la propia instalación eléctrica) se conectan a tierra.
Electrodo de tierra es un conductor metálico, o un sistema de conductores metálicos interconectados, u
otras piezas metálicas que actúan del mismo modo, empotradas en el suelo y en contacto eléctrico con el
mismo, o empotradas en hormigón, que esté en contacto con la tierra en una gran superficie (p.ej., los ci-
mientos de un edificio).
Conductor de puesta a tierra es el conductor
que conecta una parte de una instalación eléc-
trica, las partes conductoras accesibles o las ma-
sas metálicas ajenas a dicha instalación a un
electrodo de tierra, o que interconecta varios elec-
trodos de tierra. El conductor de puesta a tierra
se coloca sobre el suelo o, si está enterrado, está
aislado del terreno.
Tierra de referencia es la parte del terreno, en es-
pecial sobre la superficie, situado fuera del área de Figura 1 - Diagrama ilustrativo del concepto físico de
influencia del electrodo de tierra considerado, es la resistividad del terreno ρ
1

4. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
decir, entre dos puntos cualesquiera entre los que no existe una tensión perceptible, como resultado del flu-
jo de corriente de puesta a tierra a través de este electrodo. Se considera que el potencial de la tierra de re-
ferencia es cero.
Tensión de puesta a tierra (potencial de puesta a tierra) VE es la tensión que aparece entre el sistema de
puesta a tierra y la tierra de referencia, cuando un determinado valor de la corriente de tierra fluye a través
del sistema de puesta a tierra.
Resistividad del terreno ρ (resistencia específica del terreno) es la resistencia, medida entre dos caras
opuestas de un cubo del terreno de un metro de arista (Figura 1). La resistividad del terreno se expresa en
Ωm.
Potencial superficial de tierra Vx es la diferencia de tensión entre un punto x sobre la superficie del terre-
no y la tierra de referencia.
Características eléctricas del terreno
Las características eléctricas del terreno vienen definidas por la resistividad del terreno ρ. A pesar de la de-
finición relativamente sencilla de ρ que se acaba de ofrecer, a menudo, la determinación de su valor es una
tarea complicada por dos motivos fundamentales:
el terreno no tiene una estructura homogénea, sino que está formado por capas de diferentes ma-
teriales;
la resistividad de un tipo dado de terreno varía mucho (Tabla 1) dependiendo del contenido de hu-
medad.
El cálculo de la resistencia de puesta a tierra requiere un buen conocimiento de las características del sue-
lo, en particular su resistividad ρ. Por ello, la gran variabilidad del valor de ρ supone un problema. En la
práctica se suele considerar una estructura del terreno homogénea con un valor medio de ρ, que se estima
sobre la base de un análisis del suelo o por mediciones específicas. Se han establecido unas técnicas para
medir la resistividad del terreno. Un punto importante es que la distribución de corriente en las capas del
suelo usadas durante las mediciones debería ser similar a la de la instalación final. En consecuencia, los re-
sultados de las mediciones deben interpretarse siempre con cuidado. Cuando no se disponga de informa-
ción sobre el valor de ρ, se supondrá que ρ = 100 Ωm. No obstante, tal como indica la Tabla 1, el valor real
puede ser muy distinto, por lo que debe realizarse un ensayo de verificación a la terminación de la instala-
ción, además de tomar en consideración las probables variaciones futuras debidas a las condiciones cli-
matológicas y durante la vida útil de la instalación.
Resistividad del terreno ρ [Ωm]
Tipo de terreno
Margen de valores Valor medio
Terreno pantanoso 2 - 50 30
Barro mezclado con paja 2 - 200 40
Terreno fangoso y arcilloso, humus 20 - 260 100
Arena y terreno arenoso 50 - 3.000 200 (húmedo)
Turba > 1.200 200
Grava (húmeda) 50 - 3.000 1.000 (húmedo)
Terreno pedregoso y rocoso 100 - 8.000 2.000
Hormigón: 50 - 300 150
1 parte de cemento + 3 partes de arena
1 parte de cemento + 5 partes de grava 100 - 8.000 400
Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso en
Tabla 1 - Resistividad del terreno ρ para varios tipos de suelo y hormigón [2.3]
2

5. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
Otro problema a la hora de determinar la resistividad
ρ (Ωm)
del suelo es el contenido de humedad, que puede
cambiar dentro de un amplio margen, dependiendo
de la situación geográfica y de las condiciones del cli-
matológicas, desde un bajo porcentaje para regiones
desérticas hasta aprox. un 80% para regiones panta-
nosas. La resistividad del terreno depende en gran
parte de este parámetro. La Figura 2 ilustra la relación
entre resistividad y humedad para arcilla. Se puede
observar que, para valores de humedad superiores al
30%, los cambios de ρ son muy pequeños y poco sig-
nificativos. Sin embargo, cuando el suelo está seco, es
decir, con valores de h inferiores al 20%, la resistividad Figura 2 - Resistividad de un terreno arcilloso en
aumenta muy rápidamente. función de la humedad del suelo h
En regiones de clima templado, por ejemplo en los países europeos, la resistencia de puesta a tierra cambia
de acuerdo con la estación del año, debido a la dependencia de la resistividad del terreno de la humedad del
suelo. Para Europa, esta dependencia tiene una forma casi senoidal, con un valor máximo de la resistencia
de puesta a tierra se produce en Febrero y un valor mínimo en Agosto. Los valores medios se presentan en
Mayo y Noviembre. La amplitud en Febrero es aproximadamente un 30% mayor que la media, mientras que
en agosto es aprox. un 30% menor que la media [4].
Debe recordarse que la acción de las heladas es semejante al secado —la resistividad aumenta notable-
mente.
Por estas razones, los cálculos de resistencia de tierra y la previsión de electrodos sólo pueden realizarse con
un nivel limitado de precisión.
Propiedades eléctricas del sistema de puesta a tierra
Las propiedades eléctricas de una puesta a tierra dependen esencialmente de dos parámetros:
resistencia de puesta a tierra;
configuración del electrodo de tierra.
La resistencia de la puesta a tierra determina la relación entre la tensión de tierra VE y el valor de corriente
de tierra. La configuración del electrodo de tierra determina la distribución del potencial sobre la superfi-
cie del terreno, que se produce como resultado de la circulación de corriente en la tierra. La distribución del
potencial sobre la superficie del terreno es un tema importante a considerar a la hora de valorar el grado de
protección contra descargas eléctricas, ya que determina los potenciales de contacto y de paso. Estas cues-
tiones se analizan brevemente a continuación.
La resistencia de la puesta a tierra tiene dos componentes:
resistencia de disipación RD, que es la resistencia del terreno entre el electrodo de tierra y la tierra
de referencia;
la resistencia RL de las piezas metálicas del electrodo de tierra y del conductor de puesta a tierra.
La resistencia RL es normalmente mucho menor que la resistencia de disipación RD. Por ello, normalmen-
te se estima que la resistencia de puesta a tierra es igual a la resistencia de disipación RD. En la bibliografía
relativa, al mencionar: “resistencia de puesta a tierra” se alude normalmente a la resistencia de disipación.
Cualquier conexión de tierra facilitada por el suministrador aparece en paralelo con la puesta a tierra local
y puede esperarse que presente una impedancia inferior a frecuencias fundamentales y armónicas. Sin em-
bargo, la disponibilidad y las características de esta ruta están más allá del control del proyectista, y por ello
3

6. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
no deberá considerarse en el diseño del sistema de puesta a tierra, que será el adecuado para la finalidad
requerida por la propia instalación.
Resistencia de puesta a tierra y distribución del potencial
En los circuitos de corriente alterna, esencialmente se tiene en cuenta la impedancia ZE de puesta a tierra,
que es la impedancia entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia a una frecuencia de funcio-
namiento dada. La reactancia del sistema de puesta a tierra es la reactancia del conductor de puesta a tie-
rra y las partes metálicas del electrodo de tierra. A frecuencias bajas —la frecuencia de alimentación y los
armónicos asociados— esta reactancia es con frecuencia despreciable en comparación con la resistencia
de puesta a tierra, pero debe tenerse en cuenta para altas frecuencias tales como los transitorios debidos a
descargas eléctricas. Por ello, para bajas frecuencias se supone que la impedancia de puesta a tierra ZE es
igual a la resistencia de disipación RD, que a su vez se supone que es aproximadamente igual a la resisten-
cia de puesta a tierra, R:
ΖΕ ≈ RD ≈ R
La resistencia de puesta a tierra R de un electrodo de tierra depende de la resistividad del terreno ρ, así como de
la geometría del electrodo. Con objeto de obtener valores bajos de R, la densidad de corriente que circula entre
el metal del electrodo y la tierra debe ser baja,
es decir, el volumen de tierra a través del cual
fluye la corriente debe ser lo más elevado po-
sible. Cuando la corriente pasa desde el metal
hasta el terreno se dispersa, reduciéndose la
densidad de corriente. Si el electrodo es física-
∆V*T
mente pequeño, p.ej., un punto, este efecto es
grande, pero se reduce mucho para una lámi-
na, en donde la dispersión sólo es efectiva en
los bordes. Esto significa que los electrodos de
barra, tubo o hilo tienen una resistencia de di-
∆V*S
sipación mucho menor que, por ejemplo, un
electrodo de lámina con la misma área super-
ficial. Además de esto, está bien documentado
en la bibliografía que la corrosión inducida
por las corrientes c.c. y c.a. aumentan con la
densidad de corriente. Una baja densidad de
corriente prolonga la vida del electrodo.
El cálculo de la resistencia de puesta a tierra
se realiza normalmente suponiendo que el
terreno es ilimitado y de estructura uniforme,
con un valor dado de resistividad. Sería posi- Figura 3 - Ilustración de la noción de un electrodo
ble obtener unas ecuaciones exactas para la hemisférico, mostrando los parámetros necesarios para
determinación de la resistencia de puesta a calcular la resistencia de tierra y la distribución del
tierra pero, en la práctica, su utilidad sería potencial en la superficie del terreno (con ρ = const)
muy limitada, en especial en el caso de elec- r Radio del electrodo
trodos de tierra complejos y mallados, en los x Distancia al centro del electrodo
que las relaciones matemáticas se hacen muy aT, aS Distancias respectivas de contacto y paso
complicadas. Asimismo, incluso una peque- V* Valor de la distribución de potencial
ña imprecisión en el valor de la resistividad ∆V*T, ∆V*S Valores respectivos de las tensiones de contacto
tiene una influencia decisiva en el valor de la y paso
resistencia de tierra real de electrodos de
tierra mallados, y a menudo es muy difícil
determinar la resistividad terrestre con la
4

7. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
precisión necesaria. Por estas razones, normalmente se usan ecuaciones teóricas exactas para la determi-
nación de la resistencia de puesta a tierra, solamente para estructuras sencillas de electrodos de tierra, con
el fin de ilustrar la relación entre la tensión de tierra, la distribución del potencial en el terreno y la corriente
de tierra. Para electrodos de tierra extendidos y mallados se usan aproximaciones para el cálculo de la re-
sistencia del terreno.
Un modelo básico de la configuración del electrodo de tierra, que se usa para ilustrar las propiedades eléc-
tricas fundamentales, es un hemisferio embebido en la superficie terrestre (Figura 3). Se supone que, la co-
rriente de tierra que circula desde un electrodo de este tipo, fluye radialmente hacia el terreno. Se supone
que son equipotenciales tanto la superficie del hemisferio, así como las de todas las secciones transversa-
les hemisféricas dx del terreno, por tanto las líneas de corriente son perpendiculares a estas superficies. En
estas condiciones, la resistencia del elemento hemisférico de espesor dx y radio x se expresa de la forma si-
guiente (con ρ constante):
ρ (2)
dR = ——— dx
2 π . x2
La resistencia del electrodo de hemisferio-tierra viene dada por:
ρ ϱ
ρ
R = ——— ͐ ——=——
dx (3)
2 π r x 2 πr
2
La resistencia de la tierra depende mucho de cuan profundamente se haya enterrado el electrodo en el
terreno. Esto se debe a que el contenido de humedad es mayor y más estable para capas profundas del
terreno que para capas más superficiales. Las capas próximas a la superficie sufren más los efectos de las
variaciones estacionales y, a corto plazo, de la climatología y pueden sufrir heladas. Este problema se
ilustra en la Figura 4, para un electrodo de tierra de barra, en donde puede verse la considerable reduc-
ción de la resistencia terrestre conforme aumenta la profundidad de un electrodo de pica. Sin embargo,
no siempre es posible colocar electrodos a la profundidad deseada por motivos geológicos, por ejemplo,
cuando existen rocas u obstrucciones cerca de la superficie, o cuando el sistema de electrodos cubre una
gran área.
Pueden distinguirse distintos tipos de electrodos de tierra, ta-
les como: RD (Ω)
electrodos de tierra superficiales sencillos, formados por
pletinas o cables desnudos tendidos horizontalmente,
ya sea conectados por un solo extremo o cerrados en
anillo;
electrodos mallados, estructurados como una rejilla
colocada horizontalmente a poca profundidad;
cable con cubierta metálica al descubierto o armadura,
cuyo comportamiento es similar a un electrodo de tie-
rra de tipo pletina;
electrodos de tierra en cimientos, formados por piezas
estructurales conductoras, embebidos en los cimien- Figura 4 - Ejemplo de la resistencia
tos de hormigón, que proporcionan una gran superfi- de disipación de un electrodo de tierra
cie de contacto con el terreno; constituido por una barra de longitud
picas, que pueden estar formadas por un tubo, una ba- progresivamente creciente RD,
rra, etc. y se sitúan o entierran a una profundidad ma- en función de la profundidad d
yor de 1 m, normalmente con una longitud de 3 m a 30 m
o más.
5

8. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
Los cuatro primeros dispositivos son electrodos de tierra superficiales, normalmente constituidos por pie-
zas de cables o pletinas, dispuestos como electrodos radiales, anulares o mallados, o una combinación de
los mismos, enterrados a una profundidad reducida de aprox. 1 m. Una ventaja importante de estas es-
tructuras es la favorable distribución de potencial en la superficie. Las picas o electrodos de barra pertene-
cen a los llamados electrodos de profundidad; la ventaja de estos es que pasan a través de capas del suelo
de diferente conductividad, y son particularmente adecuados en lugares en donde las capas inferiores pre-
sentan una mala conductividad. De esta forma es posible obtener una resistencia de electrodo adecuada
(Figura 4). Otra ventaja de las picas es que pueden instalarse en lugares en los que se dispone de una su-
perficie reducida para instalar el electrodo. Sin embargo, la distribución del potencial en la superficie del
terreno con electrodos del tipo “pica” no es favorable, por lo que en la práctica se usa una combinación de
electrodos de barra y tierra superficial mallada, con objeto de obtener una buena resistencia además de una
distribución deseable del potencial de superficie. La distribución de este potencial de superficie se trata en
la siguiente sección.
En la Sección 6.5.1 se ofrecen descripciones más detalladas y las ecuaciones básicas relación a la resisten-
cia de tierra de los electrodos más habituales.
Tensión de puesta a tierra y distribución del potencial superficial
La tensión de puesta a tierra, así como la distribución del potencial de superficie durante la circulación
de corriente por el sistema de puesta a tierra, son parámetros importantes para la protección contra
descargas eléctricas. Las relaciones básicas se muestran en el modelo de puesta a tierra indicado en la
Figura 3.
El potencial de cualquier punto situado a una distancia x desde el centro del electrodo de tierra, por el que
circula la corriente de tierra IE, puede formularse con la siguiente ecuación:
ρΙΕ
Vx = ——— (4)
2 πx
y su valor relativo: Vx
*
Vx = ——— (4a)
VE
en donde VE es la tensión de puesta a tierra, que es equivalente al potencial de puesta a tierra (suponiendo
que el potencial de la tierra referencia sea igual a cero). El potencial de puesta a tierra puede describirse de
la forma siguiente:
ρΙΕ
VE =IERE = —— (5)
2 πr
La diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie del terreno: uno a una distancia x y otro a
una distancia x + aS en donde se supone que aS es igual a 1 metro, ilustra la tensión de paso ∆VS es decir, el
potencial de la superficie terrestre que existe entre dos pies de una persona que está de pie en esa posición
sobre la superficie del terreno:
ρΙΕ 1 1
͑
VS =—— — - ——
2 π x x + aS
͒ (6)
VT
y su valor relativo: *
VT = —— (6a)
VE
en donde x ≥ r.
6

9. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
Puede describirse una relación similar para cualquier otra distancia x y a. En particular para x = r y a = aT =
1m, la fórmula (6) permite el cálculo de la tensión de contacto, es decir, la tensión entre la palma de la ma-
no y el pie de una persona que está justo tocando el electrodo de tierra o partes metálicas conectadas al
mismo:
ρΙΕ 1 1
͑
VT =—— — - ——
2 π r r + aT
͒ (7)
y su valor relativo: VT
VT* = ——— (7a)
VE
Una ilustración práctica de las tensiones de contacto y de paso se muestra en la Figura 5. Las personas A
y B están sujetas a la tensión de contacto, mientras que la persona C está sometida a la tensión de paso.
La tensión de contacto VT se diferencia a veces de la tensión de contacto de choque eléctrico VTS, (y la
tensión de paso VS de la tensión de paso de choque eléctrico VSS) Las tensiones VT y VS son los valores pu-
ros resultantes de la distribución de potencial, mientras que VTS y VSS tienen en cuenta los pequeños
cambios de la distribución de potencial, debidos a la circulación de las corrientes de choque eléctrico, es
decir, incluyendo el efecto perturbador del flujo de corriente a través de la persona. En la práctica, la di-
ferencia entre VS y VSS o VT y VTS son normalmente muy pequeños, por lo que se adoptan los mismos va-
lores para los potenciales respectivos: VS ≈ VSS y VT ≈ VTS.
El lado izquierdo de la Figura 5 muestra la si- SPD
SPD
mallado (2)
tuación para un electrodo de pica, mientras pica (1)
que el lado derecho muestra la de un elec-
trodo mallado. El electrodo de pica (1) tiene
una baja resistencia pero presenta una dis-
tribución de potencial muy desfavorable,
mientras que el electrodo mallado (2) tiene
un perfil de potencial de tierra más plano. El
potencial de contacto (persona A) es consi-
derablemente mayor para el electrodo de pi-
ca (1) que para el mallado (2), (persona B).
Los potenciales de paso (persona C) también
son menos peligrosos en el caso del electro-
Figura 5 - Comparación de la distribución de la tensión
do mallado.
superficial del terreno (SPD) durante un flujo de
Cuando no es posible proporcionar una tie- corriente en el Sistema de Puestas a Tierra, para dos
rra mallada, un electrodo anular (como es tipos de electrodos de tierra
práctica común en Bélgica y Alemania, por
ejemplo), proporciona una solución inter-
media que combina un coste y una seguridad 1 Pica
razonables. 2 Mallado
VE Tensión de puesta a tierra
La resistencia de puesta a tierra determina el
valor de la tensión de puesta a tierra, mientras VT, VTS Tensión de contacto y de choque eléctrico por
contacto, respectivamente
que la configuración del electrodo de tierra
tiene una notable influencia en la distribución VS, VSS Tensión de paso y de choque eléctrico de paso,
respectivamente
de potencial sobre la superficie del terreno.
Como es natural, esta configuración influye IT Corriente de choque eléctrico por contacto
también en la resistencia de puesta a tierra Ik Corriente de cortocircuito igual a la corriente que
–—un electrodo mallado hace contacto con circula por el sistema de puesta a tierra
un mayor volumen de tierra— por lo que la re- A, B, C Personas sometidas a diferentes tensiones de
sistencia y la configuración deben considerarse superficie
7

10. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
conjuntamente. Obsérvese que, debido a que los sistemas de
electrodo mallado cubren grandes áreas, no es práctico enterrar-
los profundamente, con lo que serían más sensibles a los cam-
bios en el contenido de humedad del suelo. Puede obtenerse una
mejor estabilidad de la resistencia si se incluyen varias barras
verticales en la malla.
Los electrodos mallados aumentan el área superficial, que sufre
un aumento de tensión como resultado del flujo de corriente
hacia el electrodo de tierra. Sobre el área de la malla existe una
“superficie equipotencial”, pero en la periferia del electrodo se
presenta un gradiente de potencial, según se muestra en la
Figura 6a. Aunque no existe potencial de contacto —porque
la malla se extiende más allá de cualquier estructura metálica
en más de un metro— pueden producirse peligrosas tensiones
de paso. Esta situación puede surgir, por ejemplo, en el sistema de
puesta a tierra de una subestación. Con objeto de evitar este fe-
nómeno, los elementos exteriores del electrodo de tierra malla-
do deben colocarse a una mayor profundidad que el resto de la
rejilla (Figura 6c).
Figura 6 - El fenómeno del potencial
Propiedades de la puesta a tierra con pulsos de remanente. Distribución del potencial
superficial del terreno para dos tipos
corriente elevados de electrodos mallados
Hasta ahora se han analizado las características de los sistemas a) Electrodo mallado plano
de puesta a tierra suponiendo que una corriente moderada cir- b) Planta del electrodo
cula en condiciones constantes a la frecuencia de la red. Las di- c) Electrodo con los elementos periféricos
ferencias entre las propiedades de un sistema de puesta a tierra situados a mayor profundidad que los
centrales.
para corrientes normales o impulsos se deben principalmente a:
circulación de corrientes con valores muy elevados, de hasta algunos cientos de kA;0
fuertes incrementos de corriente en tiempos muy cortos —el caso típico de impactos de rayos que
alcanzan algunos cientos de kA/µs.
Una densidad de corriente extremadamente elevada en el suelo aumenta el valor del campo eléctrico en el
terreno hasta el extremo de producir descargas eléctricas en pequeñas oquedades gaseosas, reduciendo la
resistividad del terreno y la resistencia de puesta a tierra. Este fenómeno se produce principalmente cerca
del electrodo de tierra, en donde la densidad de corriente
es máxima, y su influencia es más destacada. La intensidad
de este fenómeno es especialmente notable cuando el sue-
lo está seco o presenta una elevada resistividad.
lmax (m)
La inductancia de las piezas metálicas de los electrodos
metálicos, que puede estimarse de 1 µH/m, no se tiene en
cuenta habitualmente a la hora de considerar la impedan-
cia del terreno a la frecuencia de red. Sin embargo, esta in-
ductancia se convierte en un parámetro importante cuan-
do es elevada la rapidez de respuesta de la corriente, en la
región de cientos de kA/µs o más. En el caso de impactos de
rayos, la caída de tensión inductiva (Lxdi/dt) alcanza valo-
ρ (Ωm)
res muy elevados. En consecuencia, las piezas remotas del
electrodo de tierra juegan un papel reducido a la hora de Figura 7 - Máxima longitud lmax de los elec-
conducir la corriente hasta la tierra. trodos de tierra frente al rayo en función de
la resistividad del terreno y ρ
8

11. Sistemas de Puesta a Tierra - Fundamentos de Cálculo y Diseño
La resistencia del terreno para las corrientes pulsantes aumenta en comparación con su resistencia para
condiciones estáticas. Por este motivo, el aumento de la longitud de los electrodos de tierra por encima de
la llamada longitud crítica (Figura 7) no provoca ninguna reducción de la impedancia terrestre frente a los
transitorios.
Durante la caída de un rayo, los dos fenómenos descritos anteriormente tienen influencia, pero actúan en
sentidos opuestos. La elevada corriente de tierra reduce la resistencia óhmica, mientras que la alta fre-
cuencia aumenta la reactancia inductiva. La impedancia global puede ser mayor o menor, dependiendo de
qué efecto es el dominante.
Conclusiones
La resistencia de puesta a tierra y la distribución de potencial de la superficie del terreno son los paráme-
tros principales que caracterizan las propiedades eléctricas de un Sistema de Puesta a Tierra.
Los parámetros eléctricos del sistema de puesta a tierra dependen de las propiedades del terreno y de la
geometría del electrodo de puesta a tierra. Las propiedades del suelo están caracterizadas por la resistivi-
dad terreno, que cambia dentro un amplio margen desde unos pocos Ωm a varios miles de Ωm, depen-
diendo del tipo de terreno y de su estructura, así como de su humedad. Como resultado de esto, es difícil
calcular un valor exacto de la resistencia de puesta a tierra. Todas las comunicaciones que describen la re-
sistencia de puesta a tierra se basan en la suposición de que la tierra tiene una estructura homogénea y una
resistividad constante.
En el caso ideal, el potencial de la superficie del terreno debería ser plano en el área que circunda al elec-
trodo de tierra. Esto es importante para la protección contra las descargas eléctricas, pues determina las
tensiones de paso y contacto. Las picas tienen una distribución del potencial superficial muy desfavorable,
mientras que los electrodos mallados presentan una distribución mucho más plana.
Es necesario tener en cuenta el comportamiento del sistema de puesta a tierra para corrientes transitorias
elevadas. Unos valores de corriente muy elevados reducen la resistencia de puesta a tierra, a causa del fuer-
te campo eléctrico entre el electrodo de tierra y el suelo, mientras que unos cambios rápidos de corriente
aumentan la impedancia de puesta a tierra, a causa de la inductancia del electrodo de tierra. La impedan-
cia de puesta a tierra es, en este caso, una superposición de estos dos eventos.
Referencias
[1] HD 637 S1 ‘Power installations exceeding 1 kV a.c’, 1999.
[2] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.
[3] IEC-364-5-54 (UNE 20460-5-54, 1990) “Instalaciones eléctricas en edificios - parte 5: elección e instalación de los
materiales eléctricos - capítulo 54: puesta a tierra y conductores de protección”.
[4] Rudolph W., Winter O. EMV nach VDE 0100. Schriftenreihe 66. VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1955.
(Nota.- La norma alemana VDE 0100 corresponde a la IEC-364 que, a su vez ha sido publicada en España por AENOR
como UNE 20460).
9

12. Notas
10

13. Notas
11

14. Notas
12

15. Socios Fundadores y de Referencia
European Copper Institute Engineering Consulting & Design Polish Copper Promotion Centre
(ECI) (ECD) (PCPC)
Web: www.eurocopper.org Web: www.ecd.it Web: www.miedz.org.pl
Akademia Gorniczo-Hutnicza Hochschule für Technik und Wirtschaft Provinciale Industriele Hogeschool
(AGH) (HTW) (PIH)
Web: www.agh.edu.pl Web: www.htw-saarland.de Web: www.pih.be
Centre d'Innovació Tecnològica en Istituto Italiano del Rame Università di Bergamo
Convertidors Estàtics i Accionaments (IIR) Web: www.unibg.it
(CITCEA) Web: www.iir.it
Web: www-citcea.upc.es
Comitato Elettrotecnico Italiano International Union of Electrotechnology University of Bath
(CEI) (UIE) Web: www.bath.ac.uk
Web: www.ceiuni.it Web: www.uie.org
Copper Benelux ISR - Universidade de Coimbra University of Manchester Institute of Science
Web: www.copperbenelux.org Web: www.uc.pt and Technology (UMIST)
Web: www.umist.ac.uk
Copper Development Association Katholieke Universiteit Leuven Wroclaw University of Technology
(CDA UK) (KU Leuven) Web: www.pwr.wroc.pl
Web: www.cda.org.uk Web: www.kuleuven.ac.be
Deutsches Kupferinstitut La Escuela Técnica Superior de Ingenieros
(DKI) Industriales (ETSII)
Web: www.kupferinstitut.de Web: www.etsii.upm.es
Consejo Editorial
David Chapman (Chief Editor) CDA UK david.chapman@copperdev.co.uk
Prof Angelo Baggini Università di Bergamo angelo.baggini@unibg.it
Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid ahernandez@etsii.upm.es
Prof Ronnie Belmans UIE ronnie.belmans@esat.kuleuven.ac.be
Franco Bua ECD franco.bua@ecd.it
Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra adealmeida@isr.uc.pt
Hans De Keulenaer ECI hdk@eurocopper.org
Gregory Delaere Lemcko gregory.delaere@howest.be
Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen jan.desmet@howest.be
Dipl-Ing Marcel Didden KU Leuven marcel.didden@mech.kuleuven.ac.be
Dr Johan Driesen KU Leuven johan.driesen@esat.kuleuven.ac.be
Stefan Fassbinder DKI sfassbinder@kupferinstitut.de
Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Gorniczo-Hutnicza hanzel@uci.agh.edu.pl
Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology antoni.klajn@pwr.wroc.pl
Reiner Kreutzer HTW rkreutzer@htw-saarland.de
Prof Wolfgang Langguth HTW wlang@htw-saarland.de
Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd jonathanm@gorham.org
Prof Henryk Markiewicz Wroclaw University of Technology henryk.markiewicz@pwr.wroc.pl
Carlo Masetti CEI masetti@ceiuni.it
Dr Jovica Milanovic UMIST jovica.milanovic@umist.ac.uk
Dr Miles Redfern University of Bath eesmar@bath.ac.uk
Andreas Sumper CITCEA sumper@citcea.upc.es
Roman Targosz PCPC cem@miedz.org.pl

16. Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
Wybrzeze Wyspianskiego 27
50-370 Wroclaw
Poland
Tel: 00 48 71 3203 424
Fax: 00 48 71 3203 596
Email: henryk.markiewicz@pwr.wroc.pl
Web: www.pwr.wroc.pl
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
Wybrzeze Wyspianskiego 27
50-370 Wroclaw
Poland
Tel: 00 48 71 3203 920
Fax: 00 48 71 3203 596
Email: antoni.klajn@pwr.wroc.pl
Web: www.pwr.wroc.pl
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
Princesa, 79
B-1150 Brussels
28008 Madrid
Belgium
Tel: 91 544 84 51
Fax: 91 544 88 84
Tel: 00 32 2 777 70 70
Fax: 00 32 2 777 70 79
Email: eci@eurocopper.org
Website: www.eurocopper.org