Puesta a tierra (TK-PAT)
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Puesta a tierra (TK-PAT) |
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En España, es obligatorio tener una instalación de puesta a tierra, coordinada con las características de los dispositivos de protección y las ITCs siguientes:
La puesta a tierra de los edificios se puede definir desde el electrodo situado en contacto con el terreno, hasta su conexión con las líneas principales de bajada a tierra de las instalaciones y masas metálicas.
Esa instalación complementa a otras medidas que se deben de tener para
proteger contra los contactos directos (protección principal) y los
contactos indirectos (protección en caso de defecto). .
Las puesta a tierra se establecen principalmente con objeto de limitar la tensión que, con respecto a tierra, puedan presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone la averías en los materiales eléctricos utilizados.
La puesta o conexión a tierra es la unión eléctrica directa, sin fusible ni protección alguna, de una parte del circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo mediante una toma de tierra con electrodo o grupos de electrodos enterrados en el suelo.
Mediante la instalación de puesta a tierra se deberá conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficies próxima del terreno no aparezcan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de defecto o las descargas de origen atmosférico.
En los edificios, se deberán conectar a la puesta a tierra:
Si se considera un esquema TT (el más general), en este capítulo se podrán insertar los electrodos de puesta a tierra (Conductor enterrado horizontal y Picas verticales), sus posibles Arquetas (conexión e inspección) y Cajas de conexión; calculando y comprobando la Resistencia a tierra (según los valores de Intensidad de defecto máxima y la Tensión admisible máxima) y el valor del Potencial a nivel del terreno (gráfica con curvas de niveles), entre otros resultados.
El ejemplo que nos servirá de apoyo a este documento es el capítulo,
PAT
Puesta a tierra, del proyecto, Bloque de viviendas.
Para realizar un proyecto, seguiremos los siguientes pasos:
Un primer paso puede ser rellenar los datos de un Expediente... (opción del menú Datos) o seleccionar uno de los existentes, para poder luego completar la memoria del proyecto y exportar las mediciones en fichero BC3.
Un segundo paso será rellenar como mínimo los siguientes campos en las opciones del menú Datos/Generales.../General:
Otras opciones serán modificar, en su caso, los parámetros de representación de la Gráfica de potenciales y de las Etiquetas de los elementos de la instalación.
La resistencia de puesta a tierra es la que existe entre el electrodo y un punto lejano del terreno a potencial cero y corresponde al cociente entre la tensión de defecto (diferencia de potencial entre esos dos puntos) y la intensidad que disipan los electrodos.
Esta limitación es una recomendación de la NTE-IEP PUESTA A TIERRA (Orden de 13 marzo de 1973 por la que se aprueba la norma tecnológica de la edificación NTE-IEP/1973, «Instalaciones de electricidad-puesta a tierra». Fuente: BOE, 24 marzo 1973, núm. 72, pág. 5791) que el usuario podrá disponer para comprobar su instalación.
Los valores por defecto son:
Según el apartado 3.1 Líneas de puesta a tierra de la ITC-RAT 13, los conductores empleados en las líneas de puesta a tierra tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán una elevada resistencia a la corrosión. Su sección será tal, que la máxima corriente que circule por ellos en caso de defecto o de descarga atmosférica no lleve a estos conductores a una temperatura cercana a la de fusión, ni ponga en peligro sus empalmes y conexiones. A efectos de dimensionado de las secciones, el tiempo mínimo a considerar para duración del defecto a la frecuencia de la red será de un segundo, y no podrán superarse las siguientes densidades de corriente:
La ITC-BT-24 exige que la Tensión de defecto sea inferior a la tensión límite de contacto convencional.
En edificios con un esquema TT, la máxima Tensión por defecto será el producto de la máxima Intensidad por defecto (sin actuar el interruptor diferencial general) por la Resistencia a tierra.
Por lo que se deberá elegir entre estas dos opciones:
En el esquema TT, se pueden utilizar los dispositivos de protección siguientes:
Según la ITC-RAT 13, los valores de la Resistividad del terreno se pueden estimar de:
Otros casos podrán ser:
Para intensidades de cortocircuito a tierra superiores a 1000 A y el proyectista utiliza en sus cálculos resistividades del terreno inferiores a 200 Ω.m, se deberá justificar dicho valor mediante un estudio que incluya mediciones de la resistividad.
Se tendrán en cuenta las variaciones posibles de las características del suelo en épocas secas y después de haber sufrido corrientes de defecto elevadas. Se tendrán en cuenta las variaciones posibles de las características del suelo en épocas secas y después de haber sufrido corrientes de defecto elevadas.
El proyectista deberá tener en cuenta los posibles tipos de defectos a tierra y las corrientes máximas en los distintos niveles de tensiones existentes en la instalación y tomará el valor más desfavorable. Para el cálculo de las corrientes de defecto y de puesta a tierra, se ha de tener en cuenta la forma de conexión del neutro a tierra, así como la configuración y características de la red durante el período subtransitorio.
El valor de la resistencia de la toma de tierra debe satisfacer las condiciones de protección o de servicio de la instalación eléctrica.
Según la ITC-BT-18, el electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, en cualquier circunstancia previsible, no sea superior al valor especificado para ella, en cada caso. Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a:
En la siguiente tabla se representan los valores máximos de la Resistencia a tierra en este tipo de edificios:
| 30 mA | 300 mA | 500 mA | |
| Local húmedo | 800 Ohmio | 80 Ohmio | 48 Ohmio |
| Local seco | 1666.6 Ohmio | 166.6 Ohmio | 100 Ohmio |
Cuando la humedad del terreno varíe considerablemente de unas épocas del año a otras se tendrá en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra. Se podrán usar recubrimientos de gravas como ayuda para conservar la humedad del suelo.
Al alcanzar el suelo temperaturas inferiores a 0 ºC aumenta mucho su resistividad. Por ello en zonas con peligro de heladas los electrodos se enterrarán a una profundidad que no alcance esa temperatura o se tendrá en cuenta esta circunstancia en el cálculo.
Aunque es obligatorio que la profundidad mínima de los electrodos sea de
0.50 m, la NTE-IEP Puesta a tierra recomienda que sea de 0.80 metros.
El proyectista de la instalación de tierra deberá comprobar mediante el empleo de un procedimiento de cálculo sancionado por la práctica que los valores de las tensiones de contacto y de paso que calcule para la instalación proyectada en función de la geometría de la misma, de la corriente de puesta a tierra que considere y de la resistividad correspondiente al terreno, no superen en las condiciones más desfavorables las calculadas en ninguna zona del terreno afectada por la instalación de tierra.
Toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación de tierra diseñada en forma tal que, en cualquier punto normalmente accesible del interior o exterior de la misma donde las personas puedan circular o permanecer, éstas queden sometidas como máximo a las tensiones de paso y contacto (durante cualquier defecto en la instalación eléctrica o en la red unida a ella) que resulten de la aplicación de las fórmulas que se recogen a continuación. Cuando se produce una falta a tierra, partes de la instalación se pueden poner en tensión, y en el caso de que una persona estuviese tocándolas, podría circular a través de él una corriente peligrosa. La norma UNE-IEC/TS 60479-1 da indicaciones sobre los efectos de la corriente que pasa a través del cuerpo humano en función de su magnitud y duración, estableciendo una relación entre los valores admisibles de la corriente que puede circular a través del cuerpo humano y su duración
Los valores admisibles de la tensión de paso aplicada entre los dos pies de una persona, considerando únicamente la propia impedancia del cuerpo humano sin resistencias adicionales como las de contacto con el terreno o las del calzado se define como diez veces el valor admisible de la tensión de contacto aplicada, (Upaso= 10 · Ucontacto).
Si la Intensidad de defecto y Tensión de defecto límite (24 V o 50 V) son los valores que se han definido en los datos generales, la Resistencia a tierra tendrá que ser menor al cociente entre los valores anteriores (Ud/Id). Por ejemplo, si la sensibilidad del interruptor diferencial general es de 0.03 A y la tensión límite es de 24 V, la Resistencia de tierra máxima debe ser de 800 Ohmios (24/0.03).
A mayor longitud de los elementos de los electrodos y menor resistividad del terreno, menor será la Resistencia a tierra.
Además, se el programa puede restringir el valor de la Resistencia a tierra según los valores límite de la NTE-IEP Puesta a tierra.
En el caso de que hala más instalaciones de puesta a tierra (centro de transformación, pararrayos...), se considerará independiente una toma de tierra respecto a otra, cuando una de las tomas de tierra, no alcance, respecto a un punto de potencial cero, una tensión superior a 50 V cuando por la otra circula la máxima corriente de defecto a tierra prevista. (Por ejemplo, separación entre las tomas de tierra de las masas de las instalaciones de utilización y de las masas de un centro de transformación). Si no se hace el control de independencia, entre las puesta a tierra de las masas de las instalaciones de utilización respecto a la puesta a tierra de protección o masas del centro de transformación, se considerará que las tomas de tierra son eléctricamente independientes cuando se cumplan todas y cada una de las condiciones siguientes (ver apartado 11 de la ITC-BT-18). En las instalaciones en las que coexistan instalaciones de tierra separadas o independientes, se tomarán medidas para evitar el contacto simultáneo inadvertido con elementos conectados a instalaciones de tierra diferentes, así como la transferencia de tensiones peligrosas de una a otra instalación.
Las instalaciones de puesta a tierra estarán constituidas por uno o varios electrodos de puesta a tierra enterrados y por las líneas de puesta a tierra que conecten dichos electrodos a los elementos que deban quedar puestos a tierra.
Los siguientes elementos de un edificio de viviendas se conectarán, al menos, a una instalación de tierra mediante unos bornes o puntos de puesta a tierra:
Para la puesta a tierra de las masas de utilización de las instalaciones de baja tensión se seguirán los criterios establecidos en la ITC-BT-18 del Reglamento electrotécnico para baja tensión.
Para facilitar la medida y revisión de la instalación de puesta a tierra se instalarán cajas de registro para cada instalación de puesta a tierra.
La instalación de puesta a tierra de un edificio constará de los siguientes elementos:
Se debe prestar atención a la separación mínima de conductores enterrados
horizontalmente en paralelo y la separación entre picas para que las
instalación se dimensione adecuadamente. Por ejemplo, se recomienda que las
Picas se separen 4 veces su longitud para que la
resistencia del total de picas corresponda a la del cálculo.
En las líneas de puesta a tierra deberán existir los suficientes puntos de puesta a tierra, que faciliten las medidas de comprobaciones del estado de los electrodos y la conexión a tierra de la instalación.
Según el apartado 3 de la ITC-BT-18, para la toma de tierra se pueden utilizar electrodos formados por:
Aunque en el programa se podrán tener en cuenta para los cálculos, sólo las barras verticales y los conductores desnudos horizontales.
La resistencia de un electrodo depende de sus dimensiones, de su forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad varía frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varía también con la profundidad.
La resistencia de tierra del electrodo, que depende de su forma y dimensiones y de la resistividad del suelo, se puede calcular por las fórmulas contenidas en la tabla siguiente:
siendo: R = resistencia de tierra del electrodo en Ω. ρ= resistividad del terreno de Ω.m. P = perímetro de la placa en metros. L = longitud en metros de la pica o del conductor, y en malla la longitud total de los conductores enterrados. r = radio en metros de un círculo de la misma superficie que el área cubierta por la malla.
Los conductores de cobre utilizados como electrodos serán de construcción y resistencia eléctrica según la clase 2 de la norma UNE 21.022.
El tipo y la profundidad de enterramiento de las tomas de tierra deben ser tales que la posible pérdida de humedad del suelo, la presencia del hielo u otros efectos climáticos, no aumenten la resistencia de la toma de tierra por encima del valor previsto. La profundidad nunca será inferior a 0,50 m.
Los electrodos de puesta a tierra estarán formados por materiales metálicos en forma de picas, varillas, conductores, chapas, perfiles, que presenten una resistencia elevada a la corrosión por sí mismos, o mediante una protección adicional, tales como el cobre o el acero debidamente protegido, en cuyo caso se tendrá especial cuidado de no dañar el recubrimiento de protección durante el hincado.
Las dimensiones mínimas de las picas se ajustarán a las especificaciones siguientes:
Los electrodos enterrados, sean de varilla, conductor desnudo o pletina, deberán tener una sección mínima de 50 mm2 los de cobre, y 100 mm2 los de acero. El espesor mínimo de las pletinas y el diámetro mínimo de los alambres de los conductores no será inferior a 2 mm los de cobre, y 3 mm los de acero.
Las placas o chapas tendrán un espesor mínimo de 2 mm los de cobre, y 3 mm las de acero.
En el caso de suelos en los que pueda producirse una corrosión particularmente importante, deberán aumentarse los anteriores valores.
Para determinar la resistencia de puesta a tierra y las tensiones de paso y contacto, debe realizarse la distribución de potenciales que provoca la disipación de corriente a través del electrodo de estudio.
Lo primero que se debe hacer tras realizar la instalación es obtener la gráfica de potenciales con el método Howe que sirve para analizar cómo se comporta un electrodo cuando libera una intensidad y calcular la distribución adecuada para asegurar la equipotencialidad del electrodo y el potencial constante en la superficie de este. Este método analiza y cuantifica el comportamiento de un electrodo al disipar una corriente en un medio infinito y homogéneo, considerando una distribución proporcional de la corriente a lo largo del electrodo. El objetivo de este método es calcular los parámetros característicos para poder realizar el cálculo de la resistencia de puesta a tierra y las tensiones de paso y contacto (estos últimos son valores calculados en base a la resistividad del terreno y la corriente de inyectada al electrodo).
RT = Kr · ρ
Vp = Kp · ρ · Id
Vc = Kc · ρ · Id
Siendo:
En edificios, por lo general, no tendrá sentido el cálculo de las tensiones de paso y contacto exteriores. Lo que si se tendrá en cuenta es la limitación en la que el valor de la resistencia de puesta a tierra sea tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a:
El capítulo TK-PAT comprobará las condiciones seleccionadas en los datos generales y, en caso necesario, proporcionaría mensajes de advertencia o error tras el proceso de cálculo (se puede consultar el Solucionario del TK-PAT).
En el Proceso de cálculo ya aparece el resultado de la Resistencia a tierra y se comparará con el valor máximo que debe tener según la configuración de las opciones del menú Datos/Generales.../General.
Por ejemplo, si la Resistencia a tierra calculada fuese mayor a 15 Ohmios, el programa daría un mensaje de error por incumplimiento (ERROR X3). Igualmente, si tras el cálculo hubiese un valor de Tensión en tierra (ver gráfica de potenciales) superior a 24 voltios, el programa mostraría un mensaje de error por incumplimiento (ERROR X4).
Cuando se produce un defecto a tierra en una instalación, se provoca una elevación del potencial (V) en el circuito de puesta a tierra general a través del cual circulará la intensidad de defecto. Al disiparse dicha intensidad por la red de tierra aparecen en el terreno gradientes de potencial (V = I · R). El paso de una corriente, por un conductor, pica, placa… provocará un potencial (V) constante. Este potencial irá disminuyendo a medida que nos alejemos del electrodo, siendo cero a distancias grandes (consideradas como infinitas).
En la opción del menú Resultados/Gráfica de potenciales se pueden ver los valores de los potenciales de la puesta a tierra en la gráfica del entorno 3D si se tiene activa la opción del menú Resultados/Etiquetas informativas. También se pueden estudiar los valores obteniendo las Curvas de potencial con la opción del menú Resultados/Crear detalle.../Detalle de distribución en planta.
A través de la opción del menú Resultados/Crear listados... puede obtener la documentación necesaria para justificar los cálculos de la instalación de puesta a tierra, entre otra información útil para comprobar los elementos de la instalación.
Según el apartado 12. Revisión de las tomas de tierra de la ITC-BT-18, por la importancia que ofrece, desde el punto de vista de la seguridad cualquier instalación de toma de tierra, deberá ser obligatoriamente comprobada por el Director de la Obra o Empresa instaladora en el momento de dar de alta la instalación para su puesta en marcha o en funcionamiento. Personal técnicamente competente efectuará la comprobación de la instalación de puesta a tierra, al menos anualmente, en la época en la que el terreno esté mas seco. Para ello, se medirá la resistencia de tierra, y se repararán con carácter urgente los defectos que se encuentren. En los lugares en que el terreno no sea favorable a la buena conservación de los electrodos, éstos y los conductores de enlace entre ellos hasta el punto de puesta a tierra, se pondrán al descubierto para su examen, al menos una vez cada cinco años.
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