Estudio del terreno como conductor: Resistencia de tierra

Introducción

El terreno es el factor fundamental a estudiar para obtener una buena resistencia de tierra. El segundo factor será la forma de los electrodos para difundir la corriente en el terreno de la mejor manera posible.

El terreno es un mal conductor si lo comparamos con los metales empleados actualmente (tabla 1), por ejemplo en un terreno medio con resistividad 𝛒 = 100 Ohm.cm y en el cobre 𝛒 = 1,8 micro Ohm.cm. es decir 60 millones de veces menos conductividad. Pero al considerar el terreno como conductor, hay que considerar que la sección de la tierra recorrida por la corriente es muy grande y en consecuencia su resistencia es muy pequeña. Por ejemplo la resistencia de un terreno con resistividad 𝛒 = 100 Ohm.cm. puede admitirse igual a 0,05 Ohm./Km. su valor es tan pequeño que podemos despreciarlo. Esto nos da idea de la poca importancia que tiene el material que se utilice en las puestas a tierra desde el punto de vista de su resistividad, también nos indica que los diferentes puntos de puesta a tierra de una instalación, los podemos considerar unidos en un único punto de referencia (línea de referencia) considerando el punto de potencial cero en ese lugar.

Tabla 1: Resistividad  a 20 ºC en Ohm·mm²/m. de los metales más empleados

Por otra parte, la resistencia total de la puesta a tierra va a constar de la resistencia de 4 elementos, que son:

• Resistencia de conexión entre el aparato a proteger y el conductor de protección. Este valor va a ser despreciable en todas las instalaciones bien realizadas con elementos de apriete, terminales, soldadura...
• Resistencia propia de los conductores de tierra y electrodo, que normalmente también va a ser despreciable, dado el carácter de buenos conductores de estos elementos.
• Resistencia entre el electrodo y el terreno.
• Resistencia del terreno.

Luego de los 4 elementos indicados que forman la instalación de puesta a tierra solo tiene consideración la resistencia entre el electrodo y el terreno. En consecuencia, la resistencia de puesta a tierra total estará determinada por la resistencia de difusión o de tránsito, entre el electrodo y la tierra, fundamentalmente de la capa de tierra más inmediata al electrodo.

La corriente inyectada por el electrodo en el terreno, se difundirá a su alrededor, la densidad de corriente junto al electrodo es mucho mayor que en las sucesivas superficies equipotenciales (Figura 1). Cada vez el terreno tendrá una superficie mayor, una resistencia menor, una densidad de corriente menor (figura 2) y un potencial menor (*), hasta que a una determinada distancia el potencial será cero.

Figura 1: Difusión de la corriente por un electrodo semiesférico

Figura 2: Electrodo semiesférico de radio (a)

 (*) Diferencia de potencial entre dos puntos de coordenadas x₁ y x₂

El potencial absoluto Ua de un electrodo respecto a un suelo eléctricamente neutro será:

Se puede decir que la resistencia de dispersión del electrodo semiesférico es:

La resistencia de tierra dependerá en consecuencia de la resistividad del terreno y de las dimensiones físicas del electrodo (forma, dimensiones). Principalmente, por nuestro método de medida, definimos a la resistencia de tierra como la relación entre la tensión V_A que alcanza un punto A con respecto a otro punto B a potencial cero (V_B = 0), en una instalación de puesta a tierra, y la corriente (I) que la recorre (figura 3).

Figura 3: Definición de resistencia de tierra

Como resistencia de tierra empleamos una resistencia aparente pero estudiando con detenimiento el proceso de difusión de la corriente, sabemos además que esta resistencia R está concentrada junto al electrodo y no es una R constante entre A y B, según hemos visto anteriormente. Cuando queramos reducir R, vamos a actuar fundamentalmente junto a la superficie del electrodo A, y no en todo el recorrido entre ambos puntos A-B. Tenemos pues, una resistencia aparente de toma de tierra y este valor es el que nos interesa prácticamente.

1.- La resistividad del terreno

La resistividad de un terreno va a indicar la resistencia que él mismo ofrece al paso de la corriente eléctrica. Un terreno quedará definido por su resistividad aparente. El valor de la resistividad varía con diferentes factores, fundamentalmente podemos considerar los siguientes:

• naturaleza del terreno
• contenido de sales
• humedad
• temperatura.

El factor más importante será la naturaleza del terreno. Vamos a considerar separadamente estos factores.

1.1.- Naturaleza del terreno

La resistividad de una tierra se define por la resistencia que ofrece un cubo de esa tierra de 1 m. de arista (figura 3). Los terrenos presentaran una resistividad propia que dependerá de su composición:

Donde:

R = Resistencia Ohm.

𝛒 = Resistividad Ohm.m

L = Longitud m.

S = Sección m².

Figura 3: Resistencia de un cubo de tierra de 1 m. de arista

La resistencia de un terreno uniforme será la calculada, pero en un terreno real su composición es variada, presentando diferentes valores de resistividad en zonas o estratos... por ello se trabaja con una resistividad aparente que es la que presenta el terreno en su conjunto, caracterizándose el terreno por este valor único.

Los terrenos los podemos clasificar por su resistividad y a efectos de corrosión por:

Tabla 2. Clasificación de los terrenos según su resistividad 

Algunos valores usuales de la resistividad, quedan recogidos en las tablas 3, 4 y 5. 

Valores de la resistividad según las características superficiales y de cultivo. . 

Tabla 3. Valor de la resistividad por las características superficiales del terreno

 Valores de resistividad según la composición del terreno

Tabla 4. Valor de la resistividad según la composición del terreno.

 Valores de resistividad de algunos materiales

Valores de resistividad de diversos materiales que componen los terrenos españoles:

Tabla 5: Resistividad de materiales diversos 

1.2.- Factores que influyen en la resistividad del terreno

Los factores que influyen en la resistividad del terreno son los siguientes:

• La composición o naturaleza geológica (figura 4).
• Las sales solubles y su composición.
• El estado higrométrico.
• La temperatura.
• La granulometría.
• La compacidad.
• La estratigrafía.

 Otros factores:

• El efecto de gradientes de potencial elevados.
• El calentamiento del terreno a consecuencia de la circulación de corrientes de puesta a tierra elevadas o de forma prolongada.

Figura 4

1.2.1.- Contenido de sales

Los principales componentes del terreno son aislantes y la conducción de la corriente se realiza fundamentalmente a través del electrolito formado por las sales y el agua que normalmente existe en el terreno. Cuanto mayor sea el contenido de sales menor será la resistividad del terreno por ejemplo la resistividad para un terreno arcilloso-arenoso con un 15% de humedad es: 

Tabla 6. Variación de la resistividad con el contenido de sales en un terreno arcilla-arena

Aumentando la salinidad de un terreno podemos convertir incluso un terreno mal conductor en uno buen conductor, de aquí que uno de los métodos de mejora de la resistividad sea añadir sal al electrodo. En la figura 5 se recoge gráficamente la variación de la resistividad con el contenido en sales. 

Figura 5: Variación de la resistividad del terreno con el contenido en sales.

1.2.2.- Contenido de humedad 

La resistividad del terreno varía mucho con el contenido de humedad del mismo. La resistividad va a disminuir cuanto mayor sea la humedad del terreno, esta disminución de resistividad es muy acusada hasta el 15% de humedad y posteriormente la disminución es poca, ya que el terreno se halla saturado de humedad. 

La humedad va a facilitar la disociación de las sales en iones positivos y negativos que serán los portadores de la corriente eléctrica en el terreno. A mayor humedad la posibilidad de crear iones es mayor. Por ejemplo, el agua destilada no es conductora, no obstante, si le añadimos un poco de sal común se crearán los iones Cl- Na+ y el agua será conductora permitiendo el paso de la corriente eléctrica a su través. 

Figura 6: Resistividad del terreno en función de su contenido en agua

En la figura 6 el % se refiere a terreno seco. 

No se deben hacer mediciones de tierra cuando el terreno este mojado por lluvias recientes, pues se obtienen valores erróneos de la resistividad. 

La razón de dejar conductos de riego de los electrodos en las tomas de tierra es el de aumentar la humedad junto al electrodo en épocas secas y mejorar así la resistividad del terreno.

 

Por ejemplo, un terreno arcilloso arenoso a 10 ºC modificará su resistividad de acuerdo con la tabla 7.

Tabla 7: Variación de la resistividad de un terreno arcilloso-arenoso con la humedad.

1.2.3.- Temperatura del terreno 

Dado que la resistividad depende en gran parte del agua contenida en el terreno para disociar las sales que contiene, cuando el terreno se enfría por debajo de 0 ºC el agua que contiene pasará a estado sólido y no se podrán disociar las sales. Por otra parte un calentamiento elevado facilitará la evaporación de agua. 

De forma general la resistividad de un terreno será mayor cuanto más baja sea la temperatura teniendo la máxima variación a partir de 0 ºC. 

Por ejemplo, en un terreno arcilloso-arenoso con 15% de humedad la variación será la representada en la tabla 8. 

Tabla 8: Variación de la resistividad de un terreno arcilloso arenoso 

con la temperatura.

Gráficamente se recoge la variación resistividad-tempera-tura en la figura 7. 

El terreno se calienta o enfría superficialmente y más lentamente va cambiando la temperatura de la masa interior. Cuanto más profundo este el electrodo menos influirá la temperatura. Por ello los electrodos se ponen enterrados a una profundidad que evite en condiciones normales que se congele el agua de la tierra que le rodea.

Figura 7: Variación de la resistividad con la temperatura del terreno

Por otra parte, los efectos de humedad y temperatura se compensan ya que en la época de mayor humedad la temperatura es menor y en épocas calurosas el contenido de agua es menor (figura 8). 

Figura 8: Efecto de la temperatura, humedad y sal, sobre la resistividad del terreno

1.2.4.- Estratigrafía 

Cuando se consideran grandes volúmenes de terreno, es decir la capa superficial y el subsuelo, la resistividad no tiene grandes variaciones, pero si las capas del terreno no son muy diferentes se pueden producir aumentos o disminuciones de la resistividad de acuerdo con la resistividad de cada capa o estrato. 

Figura 9: Variación de la resistividad en función de la estratigrafía del terreno

En un terreno se debe comprobar si sus capas presentan la misma resistividad o no y en cualquier caso poner los electrodos en la zona de menor resistividad. 

1.2.5.- Estacionalidad 

Puede comprobarse como al realizar mediciones en distintas épocas del año la resistividad del terreno varía. De forma general, en verano la resistividad es menor que en invierno y las modificaciones son más importantes en la capa superficial del terreno y muy amortiguadas en las zonas profundas. Esta variación se recoge gráficamente en la figura 10.

Figura 10: Variación de la resistividad de un terreno según la época del año

Figura 11: Variaciones estaciónales de la resistividad del terreno e influencia de la

profundidad de hincado de los electrodos

1.3.- Consideraciones practicas para mejorar la resistividad de una toma de tierra 

Una vez que conocemos como varía la resistividad de un terreno, debemos obtener unas consideraciones prácticas que nos permitan reducir la resistividad del terreno y en consecuencia reducir la resistencia de la toma de tierra. Las actuaciones se realizarán en dos formas, una modificando las condiciones del terreno, añadiendo agua, sales... y otra poniendo el electrodo en el mejor lugar para que su resistencia de difusión sea mínima, es decir seleccionando la mejor calidad del terreno. 

Vamos a recoger una serie de consideraciones prácticas que nos permitan obtener las mejores tomas de tierra. 

Los electrodos se colocarán en el terreno que sea el mejor conductor posible, lejos de obstáculos aislantes como cimientos, caminos empedrados. La mejor tierra es la vegetal y después en arcilla, si es posible con aguas salobres. Las arenas son muy malas conductoras, así como las gravillas y la mayor parte de rocas duras son aislantes. El agua pura es casi un aislante y el agua del mar y la salobre son mucho mejor conductoras. 

Se procurará un entorno junto al electrodo adecuado para obtener la mejor eficacia, evitar muros, cimientos, no ponerlos a rás de un muro, evitar patios estrechos con muros, evitar pozos por el riesgo de crear en ellas potenciales altos y peligros de descarga, como mínimo se debe poner a 3 m. de un pozo, evitar proximidades de otras instalaciones de puesta a tierra o corrientes vagabundas. 

La congelación reduce la conductibilidad, por lo que se irá a profundidades mayores que la de congelación. Interesan terrenos húmedos, por lo que además se alojarán unos tubos de regado para épocas calurosas. 

En general, podemos decir que los valores más bajos de resistividad se alcanzan de Julio a Septiembre y los más altos en Enero y Febrero. Se deben hacer las mediciones de resistividad en invierno. 

Cuando se precisa mejorar la tierra de un electrodo determinado, se puede modificar la naturaleza química del terreno colocando capas de carbón (o grafito en polvo), directamente en contacto con los electrodos, o bien disponer sales minerales, como sal común, o sulfato de magnesio, sulfato de cobre, etc. que se irá renovando según se gaste. 

También existen otros productos especiales para regar el terreno o el electrodo dando unas masas gelatinosas que aumentan la superficie de difusión. 

En capas secas de suelos no compactados, los electrodos de tierra se rodearán de barro y en suelos compactos se apisonará a su alrededor. 

No siempre es mejor colocar los electrodos a profundidad, dependerá del valor de la resistividad de los estratos. Si la resistividad disminuye al aumentar la profundidad, las capas inferiores son de menor resistividad y se deberán poner electrodos largos a profundidad. Si la resistividad se mantiene prácticamente constante con la profundidad, los electrodos deben colocarse de forma más económica, indistintamente de la profundidad. Si la resistividad aumenta con la profundidad, las capas inferiores son más resistentes y se deben emplear electrodos cortos montados a poca profundidad.

Figura 12: Mejora de la resistividad del terreno actuando sobre lanaturaleza química 

del terreno circundante al electrodo

1.4.- Valor de la resistencia de tierra

El valor de la resistencia de tierra debe ser por principio lo menor posible, para el mejor funcionamiento del sistema. Cuando por un electrodo se difunde una corriente I, la tensión a la que queda el electrodo, respecto al punto de referencia cero, será V = I·RT. Si la resistencia es elevada, la tensión a que queda el electrodo, lo será igualmente y se pueden producir tensiones peligrosas. Por otra parte, en una red con puesta a tierra de neutro, si la resistencia es cero, ante un fallo fase-tierra las tensiones de las fases sanas no deben superar la tensión simple. En caso de resistencia infinita las tensiones de las otras fases sanas serían la de línea o compuesta, con valores intermedios se obtendrían tensiones entre la tensión de fase y de línea. Luego, en principio, la tierra ideal sería la de resistencia cero y en su defecto el menor valor posible. 

Algunas compañías eléctricas han calificado la calidad de una toma de tierra según la tabla 10:

Tabla 10: Clasificación de la resistencia de tierra

El valor de la resistencia de tierra será tal, que no se creen tensiones peligrosas en el electrodo. El valor de la tensión, no debe superar a la tensión de seguridad, que en condiciones normales es de 24 V. (locales húmedos) y 50 V. (locales secos) se cumplirá: 

Vs = RT · ID

Donde:

Vs = Tensión de seguridad 

RT = Resistencia de tierra 

ID = Intensidad de defecto 

Cuando se emplean elementos de corte con intensidad de actuación IA la expresión anterior toma la forma (CEI 60364-4): 

Vs = RT · IA

Cuando el tiempo de actuación de corte se limita a 5 segundos la expresión anterior toma la forma:

Vs = RT · IA5

IA5 = Corriente de funcionamiento del dispositivo de corte cuando acta en 5 segundos. 

En todos los casos la tensión de contacto que alcanza el electrodo, debe ser igual o inferior, a la tensión convencional de seguridad Vs: 

• En sistemas de puesta a tierra y dispositivo de corte por corriente de defecto la resistencia de tierra será: 

Si el elemento de corte es un fusible o interruptor automático el valor IA será el de corte en 5 segundos. Si el elemento de corte es un interruptor diferencial el valor IA será la sensibilidad del diferencial. 

• En sistemas de corte por tensión de defecto no se precisa tierra de masas y es conveniente disponer como máximo una resistencia de 800 Ohm que corresponde a una tensión de seguridad de 65 V. o bien de 200 Ohm. para tensiones de 24 V. En cualquier caso, dependerá de las características del relé de tensión. 
• En sistemas de puesta a neutro de masas y dispositivo de corte por tensión de defecto, la resistencia de neutro debe ser RN = 2 Ohm. 

Considerando que la mayor parte de los sistemas de protección son por puesta a tierra de masas y dispositivo de corte por diferencial, los máximos valores de resistencia de tierra serán los que se indican en la tabla 11. 

Tabla 11.- Máxima resistencia de tierra con interruptor diferencial

Como valores de aplicación usuales tendremos resistencias con el valor siguiente:

 

• En viviendas (protección diferencial 30 mA.) máximo 800 ohmios y recomendable 20 ohmios.
• En industrias (protección diferencial 30 - 300 mA), máximo 80 - 800 ohmios y recomendable 20 ohmios. 
• En agricultura (protección diferencial 500 mA) 48 ohmios máximo, y recomendable 20 ohmios. 
• En instalaciones de pararrayos máximo 15 ohmios y recomendable 10 ohmios. En descargadores B.T. 10 ohmios. 
• En centros de transformación, máximo 20 ohmios, recomendable neutro 2,5 ohmios, herrajes y pararrayos 10 ohmios. Neutro de BT 10 ohmios.

Estos valores son orientativos, ya que dependerá de la tensión de paso y de contacto de acuerdo con RAT 13. 

El RAT, en su instrucción 13, indica unas tensiones de seguridad de 50 y 65 V., siendo la resistencia de tierra la necesaria para conseguir estos resultados (aparte de considerar la estructura del electrodo, forma...). 

En líneas M.T. máximo 20 ohmios, en condiciones especiales en zonas no transitadas hasta 100 ohmios, y en otras zonas, estudio concreto.

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