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EL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA
(PARTE 1 DE 2)
Ing. José Luis Falcón Chávez Abril de 2016
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Aviso Importante:
Esta presentación fue elaborada por Soluciones Integrales en Alta Tecnología (SIATSA)
en colaboración ...
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En toda instalación eléctrica es necesario garantizar la seguridad de las
personas que harán uso de ella o que estarán e...
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- Legislación eléctrica: cumplimiento normativo.
- Proteger personas y otros seres vivos: manteniendo cubiertas y gabine...
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Introducción
- La tierra: el terreno natural.
- El electrodo de puesta a tierra: varilla, tubo, banda, placa, anillo.
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La composición de la tierra es variable, pueden observarse capas y depósitos de
diferente material, horizontal y vertica...
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La resistividad es determinante para el valor de la resistencia a tierra del
electrodo. Es una propiedad del terreno.
La...
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Resistividad del terreno
- Es una magnitud variable.
- Es independiente de la intensidad de la corriente que lo recorre....
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Naturaleza del terreno Resistividad  m
Terrenos pantanosos 10 a 30
Humus (tierra vegetal) 10 a 150
Limo (barro ó cieno)...
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Por humedad:
- Al aumentar, las sales tienen mas
oportunidad de disolución.
- Hay más iones disponibles, mejora
la cond...
11Por temperatura
Variación de
resistividad
Arcilla roja
0 10 20 30 40
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km
humedad 18%
temperatura
Por c...
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Resistencia a tierra
Es la que presenta un electrodo al paso de la corriente eléctrica desde el
electrodo hasta un punt...
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Medición de la resistencia a tierra
Medidor de tres terminales (caída de potencial, del 62%).
(Ver instrucciones del ma...
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Método del 62%
medidor
I
d
0,62 d
Fuente de ca diferente a 60 Hz para evitar interacción con otras corrientes
(de 60 Hz...
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250-50. Sistema de electrodos de puesta a tierra. Todos los electrodos … que
estén presentes en cada edificio o estruct...
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250-53. Instalación del sistema de electrodo de puesta a tierra.
a) Electrodos de varilla, tubería y placa.
1) Abajo de...
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Disminuyendo la resistencia (R a la propagación) a tierra:
Aumento de dimensiones del electrodo (longitud, diámetro, ár...
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Resistencia a la propagación, depende del tipo y la dimensión del
electrodo, la conductividad del terreno, la profundid...
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La corriente tiene trayectoria perpendicular al terreno en la frontera electrodo –
terreno.
Es un electrodo superficial...
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Densidad de
corriente:
A > B
A
B
Tensión de paso
depende de la
posición x – y
del sujeto. Electrodo
 V
Electrodos
A ma...
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El potencial en la superficie difiere según la posición del individuo en
relación al sistema de electrodos.
Esto tiene ...
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Potencia del electrodo: P = (/2r) I2 =  I
Resistencia a la propagación: R = /2r =  /I
Potencial de electrodo:  =...
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Ejemplo, encontrar:
a.- Parámetros de operación de un electrodo semi-esférico.
b.- El potencial a 1, 2, ... , 10 m de l...
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Solución
a.- Resistencia R = 100/(2 • 3,14 • 1) = 15,9 
Potencial  = 15,9 (120) = 1908 Volt
Potencia P = 15,9 (1202) ...
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c.- La tensión de contacto: Vc =  - 0,5 = 1908 - 1273 = 635 V
(0,5 = 100(120)/6,28(1,5) =1273 V)
La tensión de paso ...
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El voltaje* de paso a los 9 m de distancia del electrodo
I  s
VPX = ————————
2 [(r+x)2+ ¼ s2)]
Si rx >> r, entonces: ...
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Es la corriente que atraviesa el cuerpo humano y pone en riesgo la vida de la
persona.
Las variables: - La corriente de...
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Determinar:
Los parámetros de operación del electrodo.
La tensión máxima de paso.
La tensión máxima de contacto.
La ten...
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Resistencia a la propagación: R = (/4)(1/r + 1/2t)
El potencial del electrodo:  = (I/4)(1/r + 1/2t)
Potencial en l...
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Ejercicio (respuestas)
Resistencia a la propagación de un electrodo esférico:
 = 100m, r =1m, I = 100A enterrado a:
t...
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Para electrodos de otras formas geométricas, en el infinito se
comportan como fuentes puntuales.
Cimiento de concreto a...
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Es un electrodo natural (sección de construcción de la ingeniería civil:
- Anuncios espectaculares
- Torres de transmis...
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- Es un elemento metálico en contacto con el terreno.
- Todos los electrodos presentes en un sistema de tierra deberán ...
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SIATSA
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Firma de consultores en Ingeniería Eléctrica.
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El electrodo de puesta a tierra (1/2), (ICA - Procobre, Abr.2016)

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Presentación de ICA-Procobre, Abr. 2016: El electrodo de puesta a tierra (1/2)

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El electrodo de puesta a tierra (1/2), (ICA - Procobre, Abr.2016)

  1. 1. 1 EL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA (PARTE 1 DE 2) Ing. José Luis Falcón Chávez Abril de 2016
  2. 2. 2 Aviso Importante: 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.
  3. 3. 3 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: Introducción ELECTRODO** DE PUESTA A TIERRA * conjunto de conductores, electrodos, accesorios y otros elementos metálicos enterrados… (4.10 de NOM-022-STPS-2010). ** Electrodo: cuerpo metálico conductor o conjunto de cuerpos conductores agrupados, en contacto último con el suelo y destinados a establecer una conexión con el mismo. (250-52 de NOM-001-SEDE-2012). La Instalación eléctrica
  4. 4. 4 - Legislación eléctrica: cumplimiento normativo. - Proteger 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: 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. Razones de puesta a tierra de sistemas y equipo eléctrico Introducción
  5. 5. 5 Introducción - La tierra: el terreno natural. - El electrodo de puesta a tierra: varilla, tubo, banda, placa, anillo. - El conductor de puesta a tierra. - El equipo o sistema puesto a tierra. - Conductor de electrodo. Sistema de tierra física, componentes
  6. 6. 6 La composición de la tierra es variable, pueden observarse capas y depósitos de diferente material, horizontal y vertical. La zona superficial (no profunda), donde se instala el electrodo, se afecta por: lluvia, helada, erosión. Modificadores de la resistividad del terreno: - 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. Resistividad del terreno Resistividad del terreno
  7. 7. 7 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 () Resistividad del terreno 1 m 1m
  8. 8. 8 Resistividad del terreno - Es una magnitud variable. - Es independiente de la intensidad de la corriente que lo recorre. - Se modifica en un terreno después de la obra civil. - La presencia de cuerpos metálicos la modifica. - Su magnitud es estacional. - Se modifica al paso de los años. Resistividad del terreno 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.
  9. 9. 9 Naturaleza del terreno Resistividad  m Terrenos pantanosos 10 a 30 Humus (tierra vegetal) 10 a 150 Limo (barro ó cieno) 5 a 100 Turba húmeda (material en descomposición) 10 a 150 Arena arcillosa 50 a 500 Arena silícea 200 a 3000 Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3000 Suelo pedregoso cubierto de césped 300 a 500 Calizas blandas (carbonato de cal) 100 a 300 Calizas compactas 1000 a 5000 Calizas agrietadas 500 a 1000 Pizarras 50 a 300 Rocas de mica y cuarzo (sílice o cristal de roca) 500 a 800 Granitos (piedra de cantera) 1500 a 10000 Hormigón (piedra y mortero) 2000 a 3000 Grava 3000 a 5000 suelo modificado Resistividad del terreno
  10. 10. 10 Por humedad: - Al aumentar, las sales tienen mas oportunidad de disolución. - Hay más iones disponibles, mejora la conductividad. -La cantidad de agua varía con el clima, época del año, tipo de suelo. % de humedad Variación de resistividad Arcilla roja 0 10 20 30 40 20 60 100 200 400 km saturación  18% en peso Variación de la resistividad Resistividad del terreno
  11. 11. 11Por temperatura Variación de resistividad Arcilla roja 0 10 20 30 40 20 60 100 200 400 km humedad 18% temperatura Por contenido de sales Variación de la resistividad Cloruro de sodio 2 6 10 14 2 5 10 30 m % de concentración Sulfato de cobre Sulfato de sodio La temperatura y la humedad modifican estas curvas Resistividad del terreno
  12. 12. 12 Resistencia a tierra Es la que presenta un electrodo al paso de la corriente eléctrica desde el electrodo hasta un punto distante. Resistencia eléctrica que presenta el terreno en determinado lugar. Elementos constituyentes de su valor - La resistencia del electrodo y del conductor asociado. - La resistencia de unión entre el electrodo y el terreno en contacto directo con él. - La resistencia del terreno al paso de la corriente eléctrica.  l  l 2  V R = —— = —— = —— s V s2 V = volumen S = sección transversal l = longitud  = resistividad del terreno Resistencia a tierra
  13. 13. 13 Medición de la resistencia a tierra Medidor de tres terminales (caída de potencial, del 62%). (Ver instrucciones del manual del fabricante) Elementos necesarios - Instrumento de medición. - Dos electrodos auxiliares. - Electrodo bajo prueba. terminales en línea misma separación No cruce los conductores electrodo bajo prueba electrodo auxiliar VI R = V/I Resistencia a tierra
  14. 14. 14 Método del 62% medidor I d 0,62 d Fuente de ca diferente a 60 Hz para evitar interacción con otras corrientes (de 60 Hz) en el terreno. electrodos en línea campos eléctricos de los electrodos no sobrepuestos gráfica esperada zona sin variación respuesta si los electrodos están muy cerca entre ellos mismosR R resistencia a tierra del electrodo bajo prueba electrodo bajo prueba electrodo de corriente electrodo de tensión Resistencia a tierra
  15. 15. 15 250-50. 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. Resistencia a tierra 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... Especificaciones mínimas a cumplir* * De acuerdo a la norma NOM-001-SEDE-2012
  16. 16. 16 250-53. 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… Resistencia a tierra Especificaciones mínimas a cumplir* 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. * De acuerdo a la norma NOM-001-SEDE-2012
  17. 17. 17 Disminuyendo la resistencia (R a la propagación) a tierra: Aumento de dimensiones del electrodo (longitud, diámetro, área) Aumenta el área de contacto con el terreno. Aumento del número de electrodos Aumenta el área de contacto con el terreno. Aumento de la profundidad de enterramiento Capas posiblemente mas homogéneas, nivel de humedad mas constante, temperatura mas constante. Tratamiento del terreno (no esta normalizado) Resistencia a tierra Técnicas de disminución de resistencia a tierra La puesta a tierra según su naturaleza la podemos clasificar : Artificial.- Construida para tal fin, utilizando electrodos artificiales. Natural.- Elementos de otros sistemas utilizados para la puesta a tierra (tubería de agua, vía férrea, vías de agua, estructura metálica, ...).
  18. 18. 18 Resistencia a la propagación, depende del tipo y la dimensión del electrodo, la conductividad del terreno, la profundidad de enterramiento. Potencial de electrodo, producto de la corriente introducida por la resistencia a la propagación. Potencia de 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. Intensidad de campo eléctrico y magnético Electrodos Respuesta del electrodo Para cualquier tipo de electrodo se busca la respuesta eléctrica en el terreno
  19. 19. 19 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. I tierra suelo dr Ae = 2r2 A = 2r1 2 r1 Electrodos Electrodo tipo: Semiesférico
  20. 20. 20 Densidad de corriente: A > B A B Tensión de paso depende de la posición x – y del sujeto. Electrodo  V Electrodos A mayor distancia del electrodo menor tensión de paso. tensión de paso
  21. 21. 21 El potencial en la superficie difiere según la posición del individuo en relación al sistema de electrodos. Esto tiene implicaciones para el potencial de contacto, mientras la corriente de falla fluye a través de la impedancia del sistema de puesta a tierra, todos los metales expuestos conectados a éste experimentan una elevación de tensión. Electrodos Potencial de tierra (potencial en el terreno)
  22. 22. 22 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)  = 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) Electrodos Electrodo semiesférico: Expresiones para cálculo* * Ver: Problemas de Ingeniería de puesta a tierra, Miguel de la Vega Ortega, Limusa ** En contacto con el terreno
  23. 23. 23 Ejemplo, encontrar: a.- Parámetros de operación de un electrodo semi-esférico. b.- El potencial a 1, 2, ... , 10 m de la superficie del electrodo. c.- La VC, la VP entre 3 m y 4 m. d.- La I por el individuo debido al inciso anterior. Electrodos Electrodo semiesférico tensión de paso: 1 m de longitud tensión de contacto: 0,5 m de distancia
  24. 24. 24 Solución a.- Resistencia R = 100/(2 • 3,14 • 1) = 15,9  Potencial  = 15,9 (120) = 1908 Volt Potencia P = 15,9 (1202) = 229 kW Superficie S = 2 (3,14)(12) m2 = 6,28 m2 b.- 1 = 100(120)/(6,28 x 2) = 955 V, distancia 1 m 2 = 100(120)/(6,28 x 3) = 630 V, distancia 2 m 3 = ... 10 =100(120)/6,28 x 11) = 173 V, distancia 10 m Electrodos Electrodo semiesférico rx (m) x (V) 1 955 2 630 3 477 4 382 5 324 6 267 7 248 8 210 9 191 10 173
  25. 25. 25 c.- La tensión de contacto: Vc =  - 0,5 = 1908 - 1273 = 635 V (0,5 = 100(120)/6,28(1,5) =1273 V) La tensión de paso entre 3 y 4 m del electrodo: Vp = 3 - 4 = 477 - 382 = 95 V La tensión de paso máximo: Vpmax =  - 2 = 1908 - 954 = 954 V d.- La corriente por el cuerpo del individuo debido a Vc Ic = Vc/Rc = 635/125 = 5,08 A debido a Vp Ip = Vf / Rp = 95/500 = 0,19 A debido a Vpmáx Ipmáx = Vpmáx/Rp = 954/250 = 3,82 A Electrodos Resistencia a la propagación de la planta del pie (analizado como placa circular) rp = /2de de = diámetro del pie  0,2m para la planta de un pie rp = /2de= 100/2(0,2) = 250  pies en serie (caminando) rps = 2 rp = 500  pies en paralelo (de pie) rpp = 125  La guía 80 de IEEE recomienda R = 1000  para la resistencia del cuerpo humano
  26. 26. 26 El voltaje* de paso a los 9 m de distancia del electrodo I  s VPX = ———————— 2 [(r+x)2+ ¼ s2)] Si rx >> r, entonces: ¼ s2 << x I  s (120)(100)(1) VPX  ———— = ——————— = 19,1V 2 (r+x)2 (2)(3,14)(102) s = distancia de paso 10 m del centro del electrodo 9 metros de su superficie * Los resultados obtenidos son teóricos, el resultado es aproximado. Electrodos
  27. 27. 27 Es la corriente que atraviesa el cuerpo humano y pone en riesgo la vida de la persona. Las variables: - La corriente de electrodo. - La resistencia de contacto. - La resistencia del cuerpo humano. La corriente peligrosa de electrodo es (ICR)()(r2 + s r) IPE = ——————— s dp ICR = corriente crítica por el cuerpo (50 mA) s = distancia de paso r = radio del electrodo dp = diámetro equivalente de la planta del pie (0,2 m) Electrodos Corriente crítica
  28. 28. 28 Determinar: Los parámetros de operación del electrodo. La tensión máxima de paso. La tensión máxima de contacto. La tensión de paso a 10 metros del electrodo. La corriente de electrodo peligroso para una ICR=0,05A Datos  = 150 m I = 125 A r = 0,5 m s = 1,0 m dp = 0,2 m Electrodos Corriente crítica: Ejercicio La resistencia de propagación de la planta del pie es: rp = /2de
  29. 29. 29 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)½ A t Electrodos Electrodo esférico enterrado a profundidad t Diferentes electrodos o variantes de ubicación tienen sus expresiones para el cálculo de los parámetros eléctricos.
  30. 30. 30 Ejercicio (respuestas) Resistencia a la propagación de un electrodo esférico:  = 100m, r =1m, I = 100A enterrado a: t (m) 1 2 3 5 10 20 100 R () 11,9 9,9 9,3 8,7 8,4 8,2 8,0 El potencial en la superficie para una t = 2m A (m) 1 2 3 5 10 20 100 A (V) 712 563 441 296 156 79 16 El potencial en la superficie para una t = 5m A (m) 1 2 3 5 10 20 100 A (V) 312 296 273 225 142 77 16 R superficial 15,9  Electrodos
  31. 31. 31 Para electrodos de otras formas geométricas, en el infinito se comportan como fuentes puntuales. Cimiento de concreto armado - Se analiza como electrodo natural, que esté en contacto con el terreno. - Debe estar auxiliado por un electrodo artificial. - Es ineficiente comparado con el anterior. V2 = a b c V1 = 2r3 / 3 ra b c V1  V2 Electrodos Electrodo semiesférico como modelo
  32. 32. 32 Es un electrodo natural (sección de construcción de la ingeniería civil: - Anuncios espectaculares - Torres de transmisión - Postes eléctricos - Transformadores de subestaciones - ... 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; I = 120A Solución Volumen del electrodo: Ve= 1,23 = 1,73m3 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:  = RI = 2032 V Electrodos Electrodo tipo: Cimiento de concreto armado
  33. 33. 33 - Es un elemento metálico en contacto con el terreno. - Todos los electrodos presentes en un sistema de tierra deberán estar unidos. - Todas las tuberías, conductos metálicos y cualquier elemento metálico dentro o sobre el inmueble debe conectarse a tierra. - Las tensiones de paso (VP) y de contacto VC) deben calcularse para niveles seguros. Conclusiones Electrodos de puesta a tierra
  34. 34. 34 Mayor información: SIATSA Soluciones Integrales en Alta Tecnología Firma de consultores en Ingeniería Eléctrica. Contacto: Ing. Enrique Balan Romero; enriquebalan@yahoo.com.mx; (55) 4622 0301 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 Ing. José Luis Falcón Chávez jlfalcon@kodek.com.mx Gracias

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