Instalaciones de puesta a tierra

13.7 Tomas de tierra

La puesta a tierra es un elemento fundamental en las instalaciones eléctricas, especialmente en locales de características especiales, donde la seguridad y la protección contra riesgos eléctricos adquieren una relevancia aún mayor. La correcta ejecución y mantenimiento de las tomas de tierra garantizan la protección de las personas, los equipos y las instalaciones, minimizando el riesgo de electrocución, incendios o daños por sobretensiones. En este apartado se analizarán en profundidad los conceptos, principios y requisitos técnicos que deben cumplirse para una adecuada puesta a tierra en estos entornos, así como las normativas aplicables y las mejores prácticas profesionales.

El objetivo principal de la toma de tierra es facilitar un camino seguro para la corriente eléctrica en caso de fallo o cortocircuito, permitiendo que los dispositivos de protección actúen eficazmente y evitando acumulaciones peligrosas de tensión en partes accesibles. La implementación correcta requiere un diseño cuidadoso, selección adecuada de materiales y un control riguroso durante la ejecución y el mantenimiento. La normativa vigente establece criterios específicos para diferentes tipos de locales y condiciones, asegurando que las instalaciones sean seguras y confiables.

Marco Teórico y Fundamentos

Definiciones y Conceptos Clave

Para comprender adecuadamente la importancia y el funcionamiento de las tomas de tierra en locales con características especiales, es imprescindible definir algunos conceptos básicos:

• Puesta a tierra: Es el conjunto de medidas destinadas a conectar partes metálicas no energizadas con el suelo, con el fin de reducir la tensión potencial a niveles seguros en caso de fallo eléctrico.
• Tierra eléctrica: Es el punto o conjunto de puntos conectados directamente con la masa terrestre, utilizados como referencia en los sistemas eléctricos.
• Electrodo de tierra: Es el elemento conductor que se introduce en el suelo para establecer la conexión eléctrica con la tierra.
• Resistencia de puesta a tierra: Es la resistencia eléctrica entre el electrodo y la masa terrestre; su valor debe ser lo suficientemente bajo para garantizar una correcta dispersión de corrientes fault.
• Sistema TN, TT, IT: Son configuraciones del sistema de puesta a tierra que definen cómo están conectados los conductores neutro y protección a tierra.

Teorías y Principios

El funcionamiento correcto del sistema de puesta a tierra se fundamenta en principios físicos y eléctricos básicos. La resistencia del electrodo debe ser lo suficientemente baja para permitir que las corrientes fault fluyan hacia tierra sin elevar peligrosamente la tensión en partes accesibles. La ley de Ohm establece que I = V / R, por lo que una resistencia baja (R) favorece una mayor corriente (I) en caso de fallo, facilitando la actuación rápida del sistema de protección.

Además, la dispersión eficiente de las corrientes fault depende del tipo y tamaño del electrodo, así como del tipo del suelo (resistividad). La resistividad del suelo varía según su composición mineralógica, humedad, temperatura y otros factores ambientales. Por ello, es fundamental realizar mediciones previas para determinar el valor adecuado del electrodo y garantizar una puesta a tierra efectiva.

Desarrollo Teórico

La resistencia total del sistema de puesta a tierra se compone principalmente del electrodo (varilla, placa o red), el conductor que conecta con él y el suelo circundante. La resistencia R_T puede calcularse mediante fórmulas específicas según el tipo de electrodo:

Tipo de electrodo	Fórmula aproximada para resistencia	Notas
Varilla cilíndrica vertical	R = ρ / (2πL)	donde ρ es resistividad del suelo, L longitud, d diámetro
Plaqueta o placa enterrada
R ≈ ρ / (2πL)
Mismo principio que varillas pero mayor superficie
Red enterrada
-
Se diseña para distribuir corriente por toda su extensión

Para reducir la resistencia R_T, se recomienda:

• Aumentar la superficie del electrodo mediante mallas o placas amplias.
• Utilizar múltiples electrodos conectados en paralelo (redes de puesta a tierra).
• Asegurar buena humedad del suelo alrededor del electrodo.
• Evitar zonas secas o con alta resistividad.

Sistemas de Puesta a Tierra en Locales Especiales

En locales con características especiales —como hospitales, laboratorios nucleares o plantas químicas— se requiere un diseño exhaustivo que garantice niveles muy bajos de resistencia a tierra (≤ 1 Ω) y una distribución uniforme. Además, estos sistemas suelen complementarse con dispositivos adicionales como varistores, supresores de picos o sistemas equipotenciales que aseguren protección integral.

Normativa Aplicable y Requisitos Técnicos

La normativa vigente (por ejemplo, la NTE-EE-01/96, reglamentaciones nacionales e internacionales) especifica los requisitos mínimos para las tomas de tierra en locales especiales:

1. Cobertura y continuidad: El sistema debe cubrir toda la superficie relevante del local y mantener continuidad eléctrica sin interrupciones.
2. Bajo valor resistivo: Los valores máximos permitidos dependen del tipo de local; en lugares críticos se exige ≤ 1 Ω.
3. Adecuada protección contra corrosión: Se emplean electrodos recubiertos o protegidos químicamente para prolongar su vida útil.
4. Mantenimiento periódico: Inspecciones regulares garantizan que las resistencias no aumenten por corrosión u otros factores ambientales.
5. Sistemas complementarios: Uso obligatorio en algunos casos de sistemas equipotenciales que aseguren igualdad potencial entre diferentes partes metálicas.

Ejemplos Aplicados

Ejemplo 1: Instalación básica en un laboratorio químico

Supongamos que en un laboratorio químico se requiere una toma a tierra con resistencia máxima ≤ 1 Ω. Se decide instalar una malla metálica enterrada como electrodo principal. La resistividad del suelo es 200 Ω·m. Se calcula la longitud necesaria:

L = ρ / (2π RT) = 200 / (2π × 1) ≈ 31.83 m

Pues bien, se instala una malla metálica circular con diámetro suficiente para distribuir uniformemente la corriente. Se conecta mediante conductores adecuados al sistema eléctrico del local. Se realiza medición con pinza amperimétrica especializada para verificar R_T. Si supera los límites establecidos, se añaden electrodos adicionales en paralelo hasta reducirlo al valor requerido.

Ejemplo 2: Planta industrial con múltiples electrodos conectados en red

En una planta química donde los riesgos son elevados, se diseña un sistema con varias varillas verticales distribuidas estratégicamente alrededor del edificio. Cada varilla tiene 2 m de longitud y resistividad estimada del suelo 150 Ω·m. La resistencia individual calculada ronda los 1.5 Ω. Al conectar varias varillas mediante conductores resistentes a la corrosión formando una red, se logra reducir significativamente R_T. Tras mediciones in situ se comprueba que el valor final es <0.8 Ω>, cumpliendo requisitos normativos.

Ejemplo 3: Local hospitalario con requisitos críticos

En un quirófano donde la seguridad eléctrica es prioritaria, además de instalar electrodos profundos (por ejemplo, varillas enterradas a más de 4 m), se complementa con sistemas equipotenciales que conectan todas las partes metálicas no energizadas presentes en el entorno (tuberías, mobiliario metálico). Se emplean electrodos recubiertos químicamente para evitar corrosión acelerada debido a condiciones hospitalarias húmedas. La resistencia medida debe ser inferior a 1 Ω; si no se logra inicialmente, se añaden electrodos adicionales o se mejora la conductividad del suelo mediante agentes químicos específicos.

Ejemplo 4: Comparación entre diferentes escenarios ambientales

Caso A: Zona seca con resistividad elevada (>1000 Ω·m). Aquí es difícil obtener <1 Ω>. Se recomienda usar electrodos profundos o múltiples redes conectadas en paralelo.

Caso B: Zona húmeda o cercana al mar (<100 Ω·m). En estos casos, basta con electrodos cortos pero bien protegidos contra corrosión; además, se aprovecha la alta conductividad natural para reducir costes.

Análisis y Consideraciones Especiales

Aunque los conceptos básicos parecen sencillos —como reducir la resistencia mediante mayor superficie o múltiples electrodos— existen aspectos críticos que deben considerarse para garantizar una instalación segura y duradera:

• Cuidado con la corrosión: Los electrodos enterrados están expuestos a ambientes agresivos; por ello es recomendable emplear recubrimientos protectores o materiales resistentes como cobre recubierto o acero inoxidable.
• Mantenimiento periódico: Las mediciones deben realizarse cada cierto tiempo para detectar incrementos en R_T, indicativos posibles deterioros o corrosión interna.
• Cuidado con interferencias eléctricas: Sistemas complejos pueden generar corrientes parásitas que afectan las mediciones; por ello es importante realizar pruebas bajo condiciones normales operativas.
• Evolución normativa: Las regulaciones sobre valores máximos permiten cambios conforme avanza la tecnología; mantenerse actualizado garantiza cumplimiento legal y seguridad óptima.

A nivel profesional también debe considerarse el impacto ambiental: evitar contaminaciones químicas por agentes empleados en recubrimientos o tratamientos químicos utilizados para mejorar conductividad del suelo.

Síntesis y Conceptos Clave

- La puesta a tierra es esencial para garantizar seguridad eléctrica en locales especiales.
- La resistencia máxima permitida varía según normativa; generalmente ≤1 Ω en lugares críticos.
- Los electrodos pueden ser varillas, placas o redes enterradas; su diseño depende del tipo de suelo.
- La resistividad del suelo influye directamente en el diseño; su medición previa es imprescindible.
- La instalación debe incluir sistemas complementarios como conexiones equipotenciales y protección contra corrosión.
- La inspección periódica asegura mantener valores adecuados.
- En locales especiales se requiere un diseño exhaustivo considerando factores ambientales y normativos.
- La correcta ejecución reduce riesgos eléctricos e incrementa la durabilidad del sistema.
- La normativa vigente establece límites claros para garantizar seguridad efectiva.
- La innovación tecnológica favorece sistemas más eficientes y seguros a largo plazo.