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Universidad Politeacutecnica de Sinaloa
Programa acadeacutemico de Ingenieriacutea en
Energiacutea
DISENtildeO DEL SISTEMA DE TIERRA
FISICA PARA INSTALACIOacuteN
FOTOVOLTAICA CIDE
AGUSCALIENTES
AUTOR
ERNESTO RABELO RIVERA
Tesina presentada como requisito parcial para optar al tiacutetulo de
Licenciado en Ingenieriacutea en Energiacutea
Asesores
Ing Miguel Aacutengel Corral Villalobos
Dr Piero Espino Romaacuten
Zapopan Jalisco Enero de 2016
2
Dictamen de aprobacioacuten
3
Agradecimientos
Mediante este ducto me tomo la libertad para brindar mis maacutes sinceros
agradecimientos
Agradezco a mi madre Lilia Rivera Beltraacuten a mi padre Ernesto Rabelo Zatarain
hermanos y a Martha Rubi Enciso Osuna por su infinito apoyo en cada momento al
lapso de la carrera consejos paciencia y amor que sin estos la meta seriacutea pesada
A la Universidad Politeacutecnica de Sinaloa y a las autoridades que colaboran en ella
por la oportunidad otorgada para concluir mis estudios asiacute como a la direccioacuten del
Programa de Ingenieriacutea en Energiacutea especialmente a nuestro director de carrera el
Dr Eber Enrique Orozco Guilleacuten por su conocimiento contagiarle y su entrega a la
ensentildeanza en cada clase en las aulas por sus consejos y su intereacutes en cada uno
de los alumnos de la carrera
A mis asesores por su atencioacuten y apoyo instruccioacuten orientacioacuten atencioacuten y su
ensentildeanza que me brindoacute en tiempo que estuve bajo su asesoriacutea
4
Resumen
La empresa Solar house dedicada a la instalacioacuten de sistemas activos de
aprovechamiento de energiacutea solar instalaraacute un sistema fotovoltaico interconectado
a la red en el Centro de Investigacioacuten y Docencia Econoacutemicas en la ciudad de
Aguascalientes La instalacioacuten dimensionada por la empresa cuenta con una
capacidad instalada de 88 kWp utilizando moacutedulos con una potencia individual de
250 kWp sumando 350 moacutedulos y 8 inversores de 10 kW en total El sistema de
tierras que actuacutea como sistema de proteccioacuten de los equipos a instalarse sin
embargo la empresa recurre a externos para el disentildeo del sistema de tierras para
proyectos de media tensioacuten Es por ello que el proyecto tiene la finalidad de cubrir
una de las necesidades dentro del proyecto CIDE Aguascalientes Para el disentildeo
del sistema de tierras se deberaacute considerar los paraacutemetros eleacutectricos de los
arreglos del sistema fotovoltaico a instalarse y resistividad del suelo de la zona con
ello es posible calcular el calibre de cable de tierra el nuacutemero y tamantildeo de
electrodos asiacute como el tablero de tierras del proyecto en base a la normatividad
nacional e internacional Ademaacutes mediante el estudio teacutecnico a realizarse se
contaraacute con las especificaciones para la volumetriacutea del sistema de tierras y estudio
econoacutemico que la empresa realizaraacute para la instalacioacuten y sentaraacute las bases para
futuros proyectos desarrollados por la empresa
Palabras clave Paraacutemetros eleacutectricos resistividad del suelo electrodos calibre de
cable tablero de tierras
Abstract
The company Solar house dedicated to install actives systems to take advantage of
the solar energy will install a grid-connected photovoltaic system in the Center for
Economic Research and Teaching at Aguascalientes The measured system have
an installed capacity of 88 kWp using in total modules with 205 kWp individual
power addend 350 modules and 8 inversors with 10 kW of capacity The ground
system plays has protection for the equipment to install nevertheless the ground
5
system is designed by externals who the company resorts for medium voltage
projects It is therefore the project propose is to cover one of the necessities into
CIDE Aguascalientes global project To design the ground system the photovoltaic
system array electric parameters and the zoneacutes ground resistivity will have to be
consider to calculate the wire caliber number and size of the electrodes as well as
the ground board based on national and international regulations In addition by
technical study to be realize the organization will count with the specifications for
the volumetry and economic study of the ground system to continue developing the
global project and also it will give the bases for future projects develop by the
company
Keywords Electrical parameters ground resistivity electrodes wire caliber ground
board
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
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31
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35
9
24
25
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29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
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[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
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Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
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[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
2
Dictamen de aprobacioacuten
3
Agradecimientos
Mediante este ducto me tomo la libertad para brindar mis maacutes sinceros
agradecimientos
Agradezco a mi madre Lilia Rivera Beltraacuten a mi padre Ernesto Rabelo Zatarain
hermanos y a Martha Rubi Enciso Osuna por su infinito apoyo en cada momento al
lapso de la carrera consejos paciencia y amor que sin estos la meta seriacutea pesada
A la Universidad Politeacutecnica de Sinaloa y a las autoridades que colaboran en ella
por la oportunidad otorgada para concluir mis estudios asiacute como a la direccioacuten del
Programa de Ingenieriacutea en Energiacutea especialmente a nuestro director de carrera el
Dr Eber Enrique Orozco Guilleacuten por su conocimiento contagiarle y su entrega a la
ensentildeanza en cada clase en las aulas por sus consejos y su intereacutes en cada uno
de los alumnos de la carrera
A mis asesores por su atencioacuten y apoyo instruccioacuten orientacioacuten atencioacuten y su
ensentildeanza que me brindoacute en tiempo que estuve bajo su asesoriacutea
4
Resumen
La empresa Solar house dedicada a la instalacioacuten de sistemas activos de
aprovechamiento de energiacutea solar instalaraacute un sistema fotovoltaico interconectado
a la red en el Centro de Investigacioacuten y Docencia Econoacutemicas en la ciudad de
Aguascalientes La instalacioacuten dimensionada por la empresa cuenta con una
capacidad instalada de 88 kWp utilizando moacutedulos con una potencia individual de
250 kWp sumando 350 moacutedulos y 8 inversores de 10 kW en total El sistema de
tierras que actuacutea como sistema de proteccioacuten de los equipos a instalarse sin
embargo la empresa recurre a externos para el disentildeo del sistema de tierras para
proyectos de media tensioacuten Es por ello que el proyecto tiene la finalidad de cubrir
una de las necesidades dentro del proyecto CIDE Aguascalientes Para el disentildeo
del sistema de tierras se deberaacute considerar los paraacutemetros eleacutectricos de los
arreglos del sistema fotovoltaico a instalarse y resistividad del suelo de la zona con
ello es posible calcular el calibre de cable de tierra el nuacutemero y tamantildeo de
electrodos asiacute como el tablero de tierras del proyecto en base a la normatividad
nacional e internacional Ademaacutes mediante el estudio teacutecnico a realizarse se
contaraacute con las especificaciones para la volumetriacutea del sistema de tierras y estudio
econoacutemico que la empresa realizaraacute para la instalacioacuten y sentaraacute las bases para
futuros proyectos desarrollados por la empresa
Palabras clave Paraacutemetros eleacutectricos resistividad del suelo electrodos calibre de
cable tablero de tierras
Abstract
The company Solar house dedicated to install actives systems to take advantage of
the solar energy will install a grid-connected photovoltaic system in the Center for
Economic Research and Teaching at Aguascalientes The measured system have
an installed capacity of 88 kWp using in total modules with 205 kWp individual
power addend 350 modules and 8 inversors with 10 kW of capacity The ground
system plays has protection for the equipment to install nevertheless the ground
5
system is designed by externals who the company resorts for medium voltage
projects It is therefore the project propose is to cover one of the necessities into
CIDE Aguascalientes global project To design the ground system the photovoltaic
system array electric parameters and the zoneacutes ground resistivity will have to be
consider to calculate the wire caliber number and size of the electrodes as well as
the ground board based on national and international regulations In addition by
technical study to be realize the organization will count with the specifications for
the volumetry and economic study of the ground system to continue developing the
global project and also it will give the bases for future projects develop by the
company
Keywords Electrical parameters ground resistivity electrodes wire caliber ground
board
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
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28
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31
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34
35
9
24
25
26
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29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
3
Agradecimientos
Mediante este ducto me tomo la libertad para brindar mis maacutes sinceros
agradecimientos
Agradezco a mi madre Lilia Rivera Beltraacuten a mi padre Ernesto Rabelo Zatarain
hermanos y a Martha Rubi Enciso Osuna por su infinito apoyo en cada momento al
lapso de la carrera consejos paciencia y amor que sin estos la meta seriacutea pesada
A la Universidad Politeacutecnica de Sinaloa y a las autoridades que colaboran en ella
por la oportunidad otorgada para concluir mis estudios asiacute como a la direccioacuten del
Programa de Ingenieriacutea en Energiacutea especialmente a nuestro director de carrera el
Dr Eber Enrique Orozco Guilleacuten por su conocimiento contagiarle y su entrega a la
ensentildeanza en cada clase en las aulas por sus consejos y su intereacutes en cada uno
de los alumnos de la carrera
A mis asesores por su atencioacuten y apoyo instruccioacuten orientacioacuten atencioacuten y su
ensentildeanza que me brindoacute en tiempo que estuve bajo su asesoriacutea
4
Resumen
La empresa Solar house dedicada a la instalacioacuten de sistemas activos de
aprovechamiento de energiacutea solar instalaraacute un sistema fotovoltaico interconectado
a la red en el Centro de Investigacioacuten y Docencia Econoacutemicas en la ciudad de
Aguascalientes La instalacioacuten dimensionada por la empresa cuenta con una
capacidad instalada de 88 kWp utilizando moacutedulos con una potencia individual de
250 kWp sumando 350 moacutedulos y 8 inversores de 10 kW en total El sistema de
tierras que actuacutea como sistema de proteccioacuten de los equipos a instalarse sin
embargo la empresa recurre a externos para el disentildeo del sistema de tierras para
proyectos de media tensioacuten Es por ello que el proyecto tiene la finalidad de cubrir
una de las necesidades dentro del proyecto CIDE Aguascalientes Para el disentildeo
del sistema de tierras se deberaacute considerar los paraacutemetros eleacutectricos de los
arreglos del sistema fotovoltaico a instalarse y resistividad del suelo de la zona con
ello es posible calcular el calibre de cable de tierra el nuacutemero y tamantildeo de
electrodos asiacute como el tablero de tierras del proyecto en base a la normatividad
nacional e internacional Ademaacutes mediante el estudio teacutecnico a realizarse se
contaraacute con las especificaciones para la volumetriacutea del sistema de tierras y estudio
econoacutemico que la empresa realizaraacute para la instalacioacuten y sentaraacute las bases para
futuros proyectos desarrollados por la empresa
Palabras clave Paraacutemetros eleacutectricos resistividad del suelo electrodos calibre de
cable tablero de tierras
Abstract
The company Solar house dedicated to install actives systems to take advantage of
the solar energy will install a grid-connected photovoltaic system in the Center for
Economic Research and Teaching at Aguascalientes The measured system have
an installed capacity of 88 kWp using in total modules with 205 kWp individual
power addend 350 modules and 8 inversors with 10 kW of capacity The ground
system plays has protection for the equipment to install nevertheless the ground
5
system is designed by externals who the company resorts for medium voltage
projects It is therefore the project propose is to cover one of the necessities into
CIDE Aguascalientes global project To design the ground system the photovoltaic
system array electric parameters and the zoneacutes ground resistivity will have to be
consider to calculate the wire caliber number and size of the electrodes as well as
the ground board based on national and international regulations In addition by
technical study to be realize the organization will count with the specifications for
the volumetry and economic study of the ground system to continue developing the
global project and also it will give the bases for future projects develop by the
company
Keywords Electrical parameters ground resistivity electrodes wire caliber ground
board
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
26
27
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28
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20
31
31
32
33
34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
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[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
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Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
4
Resumen
La empresa Solar house dedicada a la instalacioacuten de sistemas activos de
aprovechamiento de energiacutea solar instalaraacute un sistema fotovoltaico interconectado
a la red en el Centro de Investigacioacuten y Docencia Econoacutemicas en la ciudad de
Aguascalientes La instalacioacuten dimensionada por la empresa cuenta con una
capacidad instalada de 88 kWp utilizando moacutedulos con una potencia individual de
250 kWp sumando 350 moacutedulos y 8 inversores de 10 kW en total El sistema de
tierras que actuacutea como sistema de proteccioacuten de los equipos a instalarse sin
embargo la empresa recurre a externos para el disentildeo del sistema de tierras para
proyectos de media tensioacuten Es por ello que el proyecto tiene la finalidad de cubrir
una de las necesidades dentro del proyecto CIDE Aguascalientes Para el disentildeo
del sistema de tierras se deberaacute considerar los paraacutemetros eleacutectricos de los
arreglos del sistema fotovoltaico a instalarse y resistividad del suelo de la zona con
ello es posible calcular el calibre de cable de tierra el nuacutemero y tamantildeo de
electrodos asiacute como el tablero de tierras del proyecto en base a la normatividad
nacional e internacional Ademaacutes mediante el estudio teacutecnico a realizarse se
contaraacute con las especificaciones para la volumetriacutea del sistema de tierras y estudio
econoacutemico que la empresa realizaraacute para la instalacioacuten y sentaraacute las bases para
futuros proyectos desarrollados por la empresa
Palabras clave Paraacutemetros eleacutectricos resistividad del suelo electrodos calibre de
cable tablero de tierras
Abstract
The company Solar house dedicated to install actives systems to take advantage of
the solar energy will install a grid-connected photovoltaic system in the Center for
Economic Research and Teaching at Aguascalientes The measured system have
an installed capacity of 88 kWp using in total modules with 205 kWp individual
power addend 350 modules and 8 inversors with 10 kW of capacity The ground
system plays has protection for the equipment to install nevertheless the ground
5
system is designed by externals who the company resorts for medium voltage
projects It is therefore the project propose is to cover one of the necessities into
CIDE Aguascalientes global project To design the ground system the photovoltaic
system array electric parameters and the zoneacutes ground resistivity will have to be
consider to calculate the wire caliber number and size of the electrodes as well as
the ground board based on national and international regulations In addition by
technical study to be realize the organization will count with the specifications for
the volumetry and economic study of the ground system to continue developing the
global project and also it will give the bases for future projects develop by the
company
Keywords Electrical parameters ground resistivity electrodes wire caliber ground
board
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
26
27
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28
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20
31
31
32
33
34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
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Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
5
system is designed by externals who the company resorts for medium voltage
projects It is therefore the project propose is to cover one of the necessities into
CIDE Aguascalientes global project To design the ground system the photovoltaic
system array electric parameters and the zoneacutes ground resistivity will have to be
consider to calculate the wire caliber number and size of the electrodes as well as
the ground board based on national and international regulations In addition by
technical study to be realize the organization will count with the specifications for
the volumetry and economic study of the ground system to continue developing the
global project and also it will give the bases for future projects develop by the
company
Keywords Electrical parameters ground resistivity electrodes wire caliber ground
board
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
26
27
28
28
29
20
31
31
32
33
34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
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[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
6
Contenido
Resumen
Lista de figuras
Lista de tablas
Introduccioacuten
Capiacutetulo 1 Marco conceptual
11 Institucioacuten
12 Problemaacutetica
13 Justificacioacuten
14 Objetivo general
15 Objetivos especiacuteficos
Capiacutetulo 2 marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
22 Potencial de referencia cero de la tierra
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
232 Meacutetodo selectivo o Schntildeumberger
233 Meacutetodo sin estacas (picas)
234 Meacutetodo bipolar
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
242 Electrodo
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
2422 Estructura metaacutelica
2423 Electrodo empotrado en concreto
2424 Anillo de tierra
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
2426 Electrodo de placa
243 Conectores
244 Acoplador de impedancias
4
8
10
11
12
12
12
13
13
14
14
14
16
17
19
19
20
21
21
21
23
25
25
26
26
27
29
29
30
7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
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28
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31
31
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34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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7
245 Acondicionador de suelo
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
253 Aumento de la profundidad del electrodo
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
33 Resistividad del suelo
34 Resistividad de la varilla
35 Electrodos en paralelo
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
Capiacutetulo 4 Resultados
Capiacutetulo 5 Conclusiones
Bibliografiacutea
32
33
33
35
36
36
36
38
38
39
39
40
42
45
47
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
26
27
28
28
29
20
31
31
32
33
34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
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pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
8
Iacutendice de figuras
Figura
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Descripcioacuten
Valores de la resistencia de diferentes rocas y minerales dados
en Ωm
Potencial eleacutectrico entre dos conductores
Diferentes modelos de medidores de tierra
Metodo Wenner o de caiacuteda de potencial
Meacutetodo de Schlumberger
Meacutetodo de Schlumberger con pinza amperimetrica
Meacutetodo sin estacas
Meacutetodo bipolar
Conductor con aislante verde y desnudo de cobre y aluminio
Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea
para agua
Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un
edificio
Ejemplo de puesta a tierra mediante empotrado en concreto u
hormigoacuten
Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en
concreto
Varilla de puesta a tierra de acero cubierto de cobre
Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Electrodo de placa de cobre
Conexioacuten conductor ndash electrodo y diferentes tipos de conectores
Acoplador en registro y acoplador integrado a electrodo
Conexioacuten en acoplador en registro e integrado a electrodo
Principio de impedancias en paralelo
Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
Influencia de corrientes en electrodos cercanos
Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
Paacuteg
15
17
18
19
20
20
21
21
22
25
25
26
27
28
28
29
20
31
31
32
33
34
35
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
9
24
25
26
27
28
29
30
31
Profundidad del electrodo contra resistencia del terreno
Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10 k
Terminal de tierra tipo lenguumleta de un orificio
Conexioacuten del conductor de tierra en moacutedulos FV
Conector de salida AC del inversor Solis-10k
Tuberiacutea conduit galvanizado y licuatite
Barra de unioacuten con gabinete Total ground
Diagrama del sistema de puesta a tierra por inversor
36
38
40
40
41
41
42
44
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
10
Iacutendice de tablas
Tabla
1
2
3
4
5
6
7
Descripcioacuten
Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra
para canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Valor del factor F en base al nuacutemero de electrodos en paralelo
Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Calibre de conductor de puesta a tierra
Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total ground a utilizar
Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Paacuteg
16
24
35
37
38
39
43
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
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[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
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[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
11
Introduccioacuten
La presencia de sistemas fotovoltaicos a nivel residencial comercial e industrial ha
ido en aumento debido a la necesidad actual de una alta demanda y una limitada
oferta de energiacutea hablando de los combustibles foacutesiles sin embargo como todo
sistema eleacutectrico esteacute debe contar con los componentes de proteccioacuten necesarios
para el cuidado de la integridad de las personas asiacute como de los componentes del
mismo
Analizando un sistema fotovoltaico sea interconectado aislados o hibridos se
cuentan con reguladores que utiliza un circuito electroacutenico para el control de voltajes
y paso de corriente hacia el banco de bateriacuteas asiacute como para alimentar una carga
conectada que usualmente es un inversor que funcionan en base a electroacutenica de
potencia para la conversioacuten de corriente directa (DC) a alterna (AC) y de igual
manera el modulo se constituye de la conexioacuten de semiconductores en serie para
la produccioacuten de electricidad por lo que puede ser considerado un dispositivo
electroacutenico
Los circuitos electroacutenicos tienen la particularidad de ser sensibles a fluctuaciones
de voltaje o corriente es por ello que se utilizan protecciones como pastillas
termomagneticas y la puesta a tierra donde las primeras protegen contra
sobretensiones o sobrecorrientes generados por cortocircuitos o por armoacutenicas de
la misma red mientras que la puesta a tierra protege de corrientes de falla corto
circuitos de presiones atmosfeacutericas (rayos) corrientes parasitas estaacuteticas etc
Sabiendo la importancia de la puesta a tierra de proteccioacuten y de servicio es que ha
existido la importancia de mejorar las puestas a tierra debido que influye mucho las
condiciones climaacuteticas y en todo momento se entiende que una puesta a tierra varia
tanto por aspectos del terreno y las condiciones propia que constituyen un problema
para medir y obtener una buena puesta a tierra
Esto es por nombrar algunas condiciones de dificultad que se encuentra en la
realidad Debido a lo antes mencionado es que surge la necesidad de crear mejores
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
12
puestas a tierra y mejores instrumentos que midan la tierra en donde se va a instalar
una puesta a tierra
Capiacutetulo 1 Marco contextual
11 Institucioacuten
Sistemas de Ecologiacutea Solar SA de CV cuyo nombre comercial es
SOLARHOUSEreg fue funda por en 1986 por el representante legal MVZ Jaime
Antonio Muntildeos Goacutemez y constituida como Sociedad Anoacutenima de Capital Variable
en el antildeo 2006 Dedicada a la comercializacioacuten de equipos solares Comprometida
y enfocada a mejorar la calidad de vida y la economiacutea
Su fundador abandonoacute su carrera de Meacutedico Veterinario para dedicarse a la
comercializacioacuten de paneles solares fotovoltaicos a la luz de un pensamiento
profundo iexclEsta seraacute la energiacutea del futuro
En la actualidad la empresa comercializa e instala sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red nacional aislados y para bombeo con una amplia gama
de moacutedulos solares de capacidades que van de 15 Wp a 260 Wp de las marcas
SolarElementreg y Kyocerareg De igual manera se manejan calentadores solares de
tubos de vaciacuteo de gravedad y presioacuten en materiales como acero inoxidable y
galvanizado capacidades desde 75 lts a 330 lts manufacturados por la misma
empresa
12 Problemaacutetica
La empresa Solarhouse estaacute encargada del disentildeo e instalacioacuten de un sistema
fotovoltaico interconectado para el Centro de Investigacioacuten de Docencia
Econoacutemicas (CIDE) en la ciudad de Aguascalientes Dentro del disentildeo deben
considerar los sistemas de proteccioacuten siendo estos interruptores termomagneacuteticos
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
13
y sistema de tierra de los primeros estos cuentan con el conocimiento para su
dimensionamiento sin embargo del segundo no cuentan con antecedentes para su
caacutelculo por lo cual la empresa contrata a externos para el disentildeo e instalacioacuten lo
cual eleva los costos del proyecto global
13 Justificacioacuten
El presente proyecto va en respuesta al disentildeo del sistema de tierra fiacutesica para su
futuro instalacioacuten por parte de la empresa sin la necesidad de contratar a
organizaciones externar para ello Ademaacutes en cualquier sistema fotovoltaico
interconectado se deben considerar la instalacioacuten de un sistema de puesta a tierra
sea de baja o media tensioacuten considerando las estipulaciones de la NOM-001-SEDE-
2012 en la cual en su artiacuteculo 690-5 se exige que los sistemas fotovoltaicos cuenten
con un sistema de proteccioacuten contra fallas a tierra para evitar incendios [1]
El objetivo de la instalacioacuten de un correcto sistema de puesta a tierra en general
implica (1) Habilitar la conexioacuten a tierra en sistemas con neutro a tierra (2)
Proporcionar el punto de descarga para las carcasas armazoacuten o instalaciones (3)
Asegurar que las partes sin corriente tales como armazones de los equipos esteacuten
siempre a potencial de tierra aun en el caso de fallar en el aislamiento
(4)Proporcionar un medio eficaz de descargar los alimentadores o equipos antes de
proceder en ellos a trabajos de mantenimiento Es por ello que una eficiente
conexioacuten a tierra tiene mucha importancia por ser responsable de la preservacioacuten
de la vida humana maquinarias aparatos y liacuteneas de gran valor [2]
14 Objetivo general
Realizacioacuten del estudio teacutecnico para el disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica para un
sistema fotovoltaico de media tensioacuten del proyecto CIDE Aguascalientes
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
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Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
14
15 Objetivos especiacuteficos
1) Investigacioacuten de conceptos teacutecnicos para el disentildeo e instalacioacuten de sistemas de
tierra fiacutesica
2) Estudio teacutecnico del sistema de tierra fiacutesica
3) Determinacioacuten del voltaje corrientes y potencia de los arreglos fotovoltaicos
disentildeados
4) Calculo calibre de cable de tierra de cada arreglo y primario del sistema
fotovoltaico
5) Caacutelculo y determinacioacuten del nuacutemero y tamantildeo de electrodos
6) Realizacioacuten del diagrama de conexioacuten y especificaciones del sistema de tierra
fiacutesica
Capiacutetulo 2 Marco teoacuterico
21 Resistencia y resistividad eleacutectrica del suelo
La resistividad 119877 y resistencia 120588 son dos paraacutemetros distintos donde la primera hace
referencia a la dificultad que encuentra la corriente a su paso por el del cual se
deriva el concepto de conductividad 120590 que es la inversa de estaacute La resistencia
eleacutectrica viene constituida por la resistividad del suelo y su geometriacutea Considerando
al suelo como un conductor rectiliacuteneo y homogeacuteneo de seccioacuten 119878 y longitud 119871 su
resistencia eleacutectrica y resistividad son
119877 = 120588119871
119878rarr 120588 =
119877 ∙ 119878
119871
En la praacutectica se sabe que el suelo no es homogeacuteneo sino que es una mezcla de
rocas gases agua y otros materiales orgaacutenicos e inorgaacutenicos Por lo que ademaacutes
la resistencia varieacute con factores externos como la temperatura la humedad el
contenido de sales etc que puede provocar que un mismo suelo presente
diferentes resistividades con el tiempo ademaacutes de su composicioacuten interna donde
[Ec1]
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
15
en la imagen 1 se muestra un graacutefico con las diferentes resistividades de ciertos
minerales y rocas Debido a los diversos estratos normalmente horizontales y
paralelos a la superficie del suelo se obtiene una resistividad aparente 119877119886 donde la
dispersioacuten de la corriente en cada capa se da de acuerdo a su resistividad [3]
Los terrenos lluviosos o arcillosos con acentuadas capas de humos son aquellos
que presentan las resistividades maacutes bajas y adicionalmente las menores
variaciones en el tiempo mientras que los terrenos arenosos pedregosos y rocosos
presentan resistividad muy elevada y variacutean sus caracteriacutesticas en el tiempo seguacuten
la temperatura y la humedad en liacutemites muy amplios En la tabla 1 se presentan los
valores de resistividad de los materiales maacutes importantes que construyen los
terrenos
Figura 1 Valores de resistividad de diferentes rocas y minerales dados en Ωm
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
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[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
16
Tabla 1 Valores de resistividad para rocas y terrenos comunes
TERRENO RESISTIVIDAD (Ωm)
Basamento Roca sana con diaclasas espaciadas gt10000
Basamento Roca fracturada 1500 ndash 5000
Basamento Roca fracturada saturada con agua
corriente
100 ndash 2000
Basamento Roca fracturada saturada con agua salada 1 ndash 100
Gruss no saturado 500 ndash 1000
Gruss saturado 40 ndash 60
Saprolito no saturado 200 ndash 500
Saprolito saturado 40 ndash 100
Gravas no saturadas 500 ndash 2000
Arenas no saturadas 300 ndash 500
Arenas saturadas 400 -700
Limos no saturados 100 ndash 200
Limos saturados 20 ndash 100
Limos saturados con agua salada 5 ndash 15
Arcillas no saturadas 20 ndash 40
Arcillas saturadas 5 ndash 20
22 Potencial de referencia cero de la tierra
Las conexiones a tierra se basan en el principio de Coulomb en el cual si se conecta
un conductor con carga 1198761 y potencial 1198811 a otro conductor con carga 1198762 y potencial
1198812 se tiene una distribucioacuten de cargas ideacutentico en ambos (Figura 2)
Al considerar el planeta como una fuente de carga infinita es decir como conductor
de capacidad infinita 119903 entonces el potencial de referencia es cero lo cual viene
representado en la ecuacioacuten 2
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
17
119881119905119894119890119903119903119886 =119876 ∙ 119902
41205871198900119903=
119876
41205881198900119903asymp 0
Donde 119876 es la carga 1198900 es la permisividad del vaciacuteo1 119903 es la distancia de
desplazamiento seguacuten ley de Coulomb y 120588 es la resistencia
Mediante a este principio cualquier conductor conectado a Tierra tomaraacute o cederaacute
de eacutel las cargas para que el potencial de ambos sea igual por lo que el potencial
de ambos seraacute cero [3]
23 Medida de la resistencia eleacutectrica del suelo
De manera ideal una conexioacuten a tierra fiacutesica debe tener una resistencia de cero
ohm aunque no exista un valor normalizado la NFPA (National Fire Protecction
Assiociation) y el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) han
recomendado una valor de resistencia de conexioacuten a tierra fiacutesica maacutexima 50 ohm
siendo la miacutenima de 10 ohm para proyectos comerciales e industriales [4]
1 Es una constante fiacutesica que describe coacutemo un campo eleacutectrico afecta y es afectado por un medio La permitividad del vaciacuteo es 88541878176x10-12 Fm
Figura 2 Potencial eleacutectrico entre dos conductores
[Ec2]
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
18
Para ello existen varios meacutetodos para la medicioacuten de la resistencia eleacutectrica del
suelo para el disentildeo de un sistema de proteccioacuten de puesta tierra donde el
funcionamiento baacutesico de los instrumentos para ello utilizan en liacutenea recta sobre el
terreno cuatro estacas de conexioacuten a tierra equidistantes entre siacute La distancia entre
las estacas debe de ser tres veces la profundidad de estas El instrumento utiliza
una corriente conocida a traveacutes de dos estacas externas de conexioacuten a tierra y la
caiacuteda de potencia que es uno de los meacutetodos de medicioacuten se mide entre las dos
estacas internas de conexioacuten a tierra fiacutesica y utilizando la ley de ohm (V=IR) el
instrumento llamado terrometro telurometro o medidor de tierra (Ver figura 3)
calcula automaacuteticamente la resistencia del terreno
Es recomendable tomar mediciones adicionales en donde las estacas se giren 90
grados Al cambiar la profundidad y la distancia varias veces se produce un perfil
que puede determinar un sistema apropiado de resistencia del terreno
A continuacioacuten se presentan los diferentes meacutetodos para la medicioacuten de resistencia
eleacutectrica de un terreno dado
Figura 3 Diferentes modelos de medidores de tierra
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
19
231 Meacutetodo de caiacuteda de potencial o Frank Wenner
Este es el meacutetodo tradicional o maacutes comuacuten mente usado para la realizacioacuten de
mediciones de resistencia de terrenos descrita brevemente anteriormente en
donde se toman cuatro electrodos o estacas (A P1 P2 B) ubicados sobre una liacutenea
recta separados a una distancia 119886 entre ellos (Figura 4) [3]
Este meacutetodo mide la capacidad de un sistema de conexioacuten a tierra o un electrodo
individual para disipar la energiacutea de un sitio y es utilizado por los telumetros [4]
Siendo su resistividad
120588 = 2120587119881
119868(
1
119886minus
1
2119886minus
1
2119886+
1
119886)
minus1
= 2120587119881 ∙ 119886
119868= 2120587119877119886
232 Meacutetodo selectivo o Schlumberger
Es una variante del meacutetodo de caiacuteda de potencial o Wenner sin embargo en esteacute
meacutetodo la distancia entre los electrodos de potencia P1 y P2 que ademaacutes se
encuentran fijos es mucho menor que los electrodos inyectores de corriente A y B
siendo estos los que se trasladan (Figura 5) [4]
Figura 4 Meacutetodo Wenner o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec3]
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
20
Este meacutetodo se encuentra en medidores de gama alta e incluso puede medir la
resistencia en cualquier sistema sin desconectarlo de la instalacioacuten Ademaacutes utiliza
un transformador de corriente (pinza amperimetrica) de gran sensibilidad y precisioacuten
para medir la corriente de prueba (Figura 6) [3]
El modelo matemaacutetico de este meacutetodo estaacute dado por la siguiente ecuacioacuten
120588 = 2120587119881
119868(
1
119887minus
1
119887 + 119886minus
1
119887 + 119886+
1
119886)
minus1
= 4120587119877119887(119887 + 119886)
119886
233 Medicioacuten sin estacas (picas)
Esta teacutecnica elimina el desconectar conexiones paralelas a tierra fiacutesica asiacute como el
proceso de encontrar ubicaciones idoacuteneas para estacas auxiliares ademaacutes es
aplicable a lugares sin acceso al terreno mismo
Con este meacutetodo se colocan dos pinzas alrededor de una varilla de conexioacuten a
tierra fiacutesica o del cable de conexioacuten Se introduce un voltaje conocido en una pinza
y se mide la corriente utilizando la segunda (Figura 7) El comprobador determina
automaacuteticamente la resistencia en la varilla Si solo hay una ruta a la tierra como
en muchas situaciones residenciales el meacutetodo no proporciona un valor aceptable
Figura 5 Meacutetodo Schlumberger
o de caiacuteda de tensioacuten
[Ec4]
Figura 6 Meacutetodo Schlumberger con
pinza amperimetrica
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
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[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
21
234 Meacutetodo bipolar
Se utiliza un electrodo auxiliar cuya resistencia se haya determinado con
anterioridad y se establezca como buena como una tuberiacutea de agua en los
alrededores de la instalacioacuten pero lo suficientemente alejada a ella (Figura 8) Con
este meacutetodo se mide la resistencia del circuito eleacutectrico formado Sin embargo se
debe tomar en cuenta que en la tuberiacutea no existan segmentos de PVC que
aumentan la resistencia y la distancia entre electrodos no se vea influenciada por
lo que dariacutea la medicioacuten bajas lecturas [4]
24 Componentes de un sistema de puesta a tierra
241 Conductores o cableado
Es el encargado de la comunicacioacuten del sistema exterior con la barra equipotencial
para de ahiacute distribuir a los equipos [4] El color de identificacioacuten del cable de puesta
a tierra es el verde o desnudo de cobre o aluminio los cuales se muestran en la
figura 9
Figura 7 Meacutetodo sin estacas
Figura 8 Meacutetodo bipolar
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
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[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
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[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
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[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
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[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
22
Seguacuten la norma NOM001-SEDE-2005 un conductor del electrodo de puesta a tierra
o su envolvente debe sujetarse firmemente a la superficie sobre la que va instalado
para ello se utilizan conectores que posteriormente seraacuten descritos Un conductor
de cobre o aluminio de 212 mm2 (4 AWG) o superior debe protegerse si estaacute
expuesto a dantildeo fiacutesico severo Se puede llevar un conductor de puesta a tierra de
133 mm2 (6 AWG) que no esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico a lo largo de la superficie
del edificio sin tuberiacutea o proteccioacuten metaacutelica cuando esteacute sujeto firmemente al
edificio si no debe ir en tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en
tubo (conduit) no metaacutelico tipo pesado o un cable armado Los conductores de
A) B)
B) D)
Figura 9 Conductor con aislante verde de A) cobre y B) aluminio y cable desnudo de
C) cobre y D) aluminio
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
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[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
23
puesta a tierra de tamantildeo nominal inferior a 133 mm2 (6 AWG) deben alojarse en
tubo (conduit) metaacutelico tipo pesado semipesado ligero en tubo (conduit) no
metaacutelico tipo pesado o en cable armado
No deben utilizarse como conductores de puesta a tierra conductores aislados o
desnudos de aluminio que esteacuten en contacto directo con materiales de albantildeileriacutea o
terreno natural o si estaacuten sometidos a condiciones corrosivas Cuando se utilicen a
la intemperie los conductores de puesta a tierra de aluminio no deben instalarse a
menos de 45 cm del terreno natural [1]
El calibre del conductor debe estimarse en base a cada conductor de puesta a tierra
de equipo instalado en paralelo debe tener un tamantildeo nominal seleccionado sobre
la base de la corriente eleacutectrica nominal del dispositivo de proteccioacuten contra
sobrecorriente que proteja los conductores del circuito en la canalizacioacuten o cable
seguacuten la Tabla 250-95 de la NOM001-SEDE-2015 la cual se muestra en la tabla
2
242 Electrodo
Tienen la finalidad principal de transmitir la corriente de falla a tierra de una manera
segura garantizando la unioacuten con ella ademaacutes disminuyen la resistencia de tierra
para dicho propoacutesito
Estos pueden ser seguacuten su origen
Artificiales Barras tubos placas cables y otros elementos metaacutelicos
Naturales Elementos metaacutelicos enterrados en la tierra aprovechados para
tal propoacutesito solo si cumplen con lo reglamentario
Los electrodos permitidos seguacuten la NOM-001-SEDE-2005 para puesta a tierra son
los que se indican a continuacioacuten En ninguacuten caso se permite que el valor de
resistencia a tierra del sistema de electrodos de puesta a tierra sea superior a 25 Ω
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
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[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
24
Tabla 2 Tamantildeo nominal miacutenimo de los conductores de puesta a tierra para
canalizaciones y equipos seguacuten NOM-001-SEDE-2015
Capacidad o ajuste del dispositivo
automaacutetico de proteccioacuten contra
sobrecorriente en el circuito antes de
los equipos canalizaciones etc Sin
exceder de
Tamantildeo nominal mm2 (AWG o Kcmil)
(A) Cable de cobre Cable de
aluminio
15 208 (14) ---
20 331 (12) ---
30 526 (10) ---
40 525 (10) ---
60 526 (10) ---
100 837 (8) 133 (6)
200 133 (6) 212 (4)
300 212 (4) 336 (2)
400 336 (2) 424 (1)
500 336 (2) 535 (10)
600 424 (1) 674 (20)
800 535 (10) 850 (30)
1000 674 (20) 107 (40)
1200 850 (30) 127 (250)
1600 107 (40) 177 (350)
2000 127 (250) 203 (400
2500 177 (350) 304 (600)
3000 203 (400) 304 (600)
4000 253 (500) 405 (800)
5000 3547 (700) 608 (1200)
6000 405 (800) 608 (1200)
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
25
2421 Tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Esta debe de estar en contacto directo con la tierra a lo largo de 3 m o maacutes y con
continuidad eleacutectrica hasta los puntos de conexioacuten del conductor del electrodo de
puesta a tierra y de los conductores de unioacuten (Figura 10)
2422 Estructura metaacutelica del edificio
Esta solamente es aplicable cuando la estructura se encuentre eficazmente puesta
a tierra (Figura 11)
Figura 10 Ejemplo de puesta a tierra mediante tuberiacutea metaacutelica subterraacutenea para agua
Figura 11 Ejemplo de puesta a tierra mediante estructura metaacutelica de un edificio
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
26
2423 Electrodo empotrado en concreto
Un electrodo empotrado como miacutenimo 50 mm en concreto (Figura 12) localizado
en y cerca del fondo de un cimiento o zapata que esteacute en contacto directo con la
tierra y que conste como miacutenimo de 6 m de una o maacutes varillas de acero desnudo o
galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor
de no menos de 13 mm de diaacutemetro o como miacutenimo 61 m de conductor de cobre
desnudo de tamantildeo nominal no inferior a 212 mm2 (4 AWG)
2424 Anillo de tierra
Un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura (Figura 13) en contacto directo
con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste
como miacutenimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamantildeo nominal no inferior
a 336 mm2 (2 AWG)
Figura 12 Ejemplo de puesta a tierra mediante electrodo empotrado en concreto u
hormigoacuten
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
27
2425 Electrodo de varilla o tuberiacutea
Se muestran en la figura 14 No deben tener menos de 24 m de longitud deben ser
del material especificado a continuacioacuten y estar instalados del siguiente modo en
base a la NOM-001-SEDE-2005
Los electrodos de puesta a tierra consistentes en tuberiacutea o tubo (conduit) no
deben tener un tamantildeo nominal inferior a 19 mm (diaacutemetro) y si son de hierro o
acero deben tener su superficie exterior galvanizada o revestida de cualquier
otro metal que los proteja contra la corrosioacuten
Los electrodos de puesta a tierra de varilla de hierro o de acero deben tener
como miacutenimo un diaacutemetro de 16 mm Las varillas de acero inoxidable inferiores
a 16 mm de diaacutemetro las de metales no ferrosos o sus equivalentes deben estar
aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm
El electrodo de puesta a tierra se debe instalar de modo que tenga en contacto
con el suelo un miacutenimo de 24 m Se debe clavar a una profundidad no inferior a
24 m excepto si se encuentra roca en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra
se debe clavar a un aacutengulo oblicuo que no forme maacutes de 45ordm con la vertical o
Figura 13 Ejemplo de anillo de tierra reforzado con electrodo empotrado en concreto
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
28
enterrar en una zanja que tenga como miacutenimo 800 mm de profundidad El
extremo superior del electrodo de puesta a tierra debe quedar a nivel del piso
excepto si el extremo superior del electrodo de puesta a tierra y la conexioacuten con
el conductor del electrodo de puesta a tierra estaacuten protegidos contra dantildeo fiacutesico
Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la
profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de tepetate las varillas no
pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Si
encontramos una roca a menos de 240 m estos electrodos se pueden meter en
diagonal hasta con un aacutengulo de 45ordm de la vertical (Figura 15) [5]
Figura 15 Colocacioacuten de varilla aceptable seguacuten NOM-001-SEDE-2005
Figura 14 Varilla para puesta a tierra de acero cubierto de cobre
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
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Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
29
2426 Electrodo de placa
Los electrodos de placa (Figura 16) no deberaacuten tener menos de 02 m2 de superficie
en contacto con el suelo Y las placas de acero o hierro deberaacuten tener por lo menos
64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152
mm de espesor Para utilizar una placa como electrodo se debe de considerar que
su posicioacuten oacuteptima es de forma vertical instalados a unos 2 m de profundidad figura
14a al colocarla horizontalmente el terreno debajo de ella se asentariacutea y separariacutea
del mismo
243 Conectores
Los conectores tienen la funcioacuten de ser el punto de unioacuten del electrodo y el
conductor el cual debe de ser un material resistente a la corrosioacuten En la figura 17
se muestra la conexioacuten conductor-electrodo y los diferentes tipos de conectores
Figura 16 Electrodo de placa de cobre
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
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Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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Lima Peruacute 2005
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conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
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[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
30
244 Acoplador de impedancias
El Acoplador es complemento del electrodo y es la interfaz entre los equipos a
proteger y el electrodo En la figura 18A se puede ver el acoplador dentro de su
gabinete asiacute como los bornes de conexioacuten y en la figura 18B se muestra uno
integrado al electrodo en donde el borne A va conectado a los equipos a proteger
que en el presente caso seriacutean los moacutedulos fotovoltaicos e inversores El borne B
se recomienda conectarlo hacia una estructura metaacutelica del edificio el C hacia una
tuberiacutea metaacutelica para agua que cumpla con las especificaciones de la NOM-001-
SEDE- 2005 y por uacuteltimo el borne D va conectado al electrodo en el caso de la
figura 18A Se recomienda que la distancia entre acoplador y electrodo sea maacuteximo
de 35 metros para puesta a tierra
En el momento de la conexioacuten es importante que se respete el orden de las
conexiones en el acoplador Es importante tambieacuten que los cables de conexioacuten con
el acoplador salgan cada uno de manera perpendicular y no crucen por encima del
acoplador (Figura 18) [6]
Figura 17 Conexioacuten conductor-electrodo y diferentes tipos de conectores
31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
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pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
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2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
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31
El acoplador funciona bajo el principio de impedancias2 en paralelo el cual describe
que la impedancia total es menor que la impedancia de las impedancias en paralelo
el cual se muestra este principio de manera sencilla en el circuito de la figura 20 es
2 Resistencia aparente de un circuito dotado de capacidad y autoinduccioacuten al flujo de una corriente eleacutectrica alterna equivalente a la resistencia efectiva cuando la corriente es continua
A) B)
Figura 18 A) Acoplador en registro y B) acoplador integrado a electrodo
A) B)
Figura 19 Conexioacuten en acoplador A) en registro e B) integrado a electrodo
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
32
por ello que este componente protege a los equipos de descargas dirigieacutendolas
hacia el camino de menor impedancia y en el caso de descargas inducidas en el
electrodo estaacute la manda a puntos alternos a tierra [7]
Ademaacutes el acoplador cumple con la NOM-001-SEDE-2015 en su artiacuteculo 250-81
en al cual se estipula la necesidad de unir masas conductivas las cuales pueden
ser [1]
Estructura metaacutelica de acero
Varilla de construccioacuten ahogada en concreto
Tuberiacutea conductiva de agua
245 Acondicionador de suelo
Con el objetivo de que el funcionamiento del sistema de tierra fiacutesica sea el deseado
y que mantenga una impedancia baja utilizar el acondicionador de terreno H2OHM
(Figura 21) este acondicionador tiene la funcioacuten de mantener el suelo con las
caracteriacutesticas adecuadas
Figura 20 Principio de impedancias en paralelo
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
33
25 Consideraciones para reducir la resistencia del suelo
Considerando la instalacioacuten de una varilla de acero la foacutermula para obtener la
resistencia de puesta a tierra de una varilla estaacute dada por la expresioacuten de Dwight
[8]
119877119879 =119903
2120587119871∙ 119871119899 ((
4119871
119889) minus 1)
Donde 119903 es la resistividad del suelo dado en Ωm 119871 es la longitud y 119889 es el diaacutemetro
de la varilla respectivamente en metros Por lo que se pueden hacer varias
consideraciones para disminuir la resistencia total del sistema
251 Aumento del nuacutemero de electrodos en paralelo
En este disentildeo se coloca dos o maacutes electrodos conectados entre siacute en paralelo a
fin de reducir la resistencia La distancia que debe existir entre electrodos debe de
ser miacutenimo la equivalente a la longitud de la varilla pero es recomendable que sea
el doble
Figura 21 Acondicionador de suelo para tierra fiacutesica H2Ohm
[Ec5]
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
34
El espacio entre electrodos es muy importante debido a que si estos estuvieran muy
cercanos esto afectariacutea la impedancia del circuito por los efectos mutuos de sus
esferas de influencia (Figura 22) y no disminuiriacutea la resistencia [34]
Una regla praacutectica es que los sistemas de tierra formados por 2 hasta 24 electrodos
ubicados en liacutenea recta formados en triaacutengulo un cuadrado o ubicados en un ciacuterculo y
separados entre siacute una distancia igual a la longitud del electrodos presentaraacuten una
resistencia a tierra igual a la resistencia que tiene un solo electrodo dividida entre el nuacutemero
de electrodos y multiplicada por un factor F cuyo valor se muestra en la tabla 3
119877119879119864 =119877
119899∙ 119865
Figura 22 Influencia de corrientes en electrodos cercanos
[Ec6]
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
35
Tabla 3 Valor del factor F en base al nuacutemero de
electrodos en paralelo
Nuacutem de electrodos F
2 116
3 129
4 136
8 168
12 180
16 192
20 200
24 216
252 Aumento del diaacutemetro del electrodo
El aumento en el diaacutemetro tiene poco efecto en la disminucioacuten de la resistencia
ademaacutes de que este tiene un liacutemite debido a que el valor de la resistencia del terreno
permanece constante [8] [3] En la figura 23 se muestra el efecto del aumento de
diaacutemetro versus la resistencia del terreno
Figura 23 Diaacutemetro de electrodo contra resistencia del terreno
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
36
253 Aumento en la profundidad del electrodo
Al colocar el electrodo a una mayor profundidad se pueden alcanzar maacutes capas del
subsuelo en la cual se puede tener una mejor conductividad si entra en contacto
con capas con presencia de humedad pero puede ser al contrario que las capas
maacutes profundas sean rocas o pedregosas lo que aumentariacutea la resistividad del
mismo [8] En la figura 24 se muestra coacutemo afecta la profundidad de la varilla en la
resistencia del terreno
Una ventaja que tiene el aumentar la profundidad es que es posible acoplar varillas
lo que se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra [3]
Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de
potencial en la superficie
Capiacutetulo 3 Metodologiacutea o propuesta a
implementar
31 Descripcioacuten del sistema fotovoltaico a instalarse
El sistema fotovoltaico a instalarse en CIDE Aguascalientes cuenta con un total de
352 moacutedulos solares de 250 W de la marca SolarElement y 8 inversores de onda
senoidal pura de capacidad 10 kW modelo Solis-10K de los cuales 6 inversores
Figura 24 Profundidad de electrodo contra resistencia del terreno
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
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[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
37
seraacuten instalados en el primer edificio y 2 en el segundo Por lo tanto el nuacutemero de
moacutedulos correspondiente a cada inversor es
352 119898119900119889119906119897119900119904
8 119894119899119907119890119903119904119900119903119890119904= 44 119898119900119889119906119897119900119904119894119899119907119890119903119904119900119903
Teniendo en cuenta que el modelo de inversor cuenta con cuatro entradas para DC
(figura 25) es decir se pueden conectar 4 series de moacutedulos no es necesario la
conexioacuten en paralelo lo cual beneficia en el caacutelculo del conductor por lo que la
corriente que existe entre moacutedulos e inversor es el de cada serie
Por lo tanto en la tabla 4 se resume el arreglo del sistema para el proyecto donde
se especifica el total de moacutedulos por serie numero de series correspondientes a
cada inversor y la ubicacioacuten de cada uno
Tabla 4 Arreglo del sistema fotovoltaico correspondiente por inversor
Inversor Nuacutem de
series1 Edificio
Serie Inversor
Corriente de
cortocircuito
(Isc)
Corriente de
salida
1 4 1 862 A 25 A
2 4 1 862 A 25 A
3 4 1 862 A 25 A
4 4 1 862 A 25 A
5 4 1 862 A 25 A
6 4 1 862 A 25 A
7 4 2 862 A 25 A
8 4 2 862 A 25 A
1 Cada serie contiene 11 moacutedulos conectados
38
32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
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32 Calibre del conductor de puesta a tierra
El calibre de conductor destinado a la puesta a tierra depende uacutenicamente de la
corriente maacutexima del equipo a proteger las cuales estaacuten especificadas en la tabla
3 y en base a la tabla 2 se muestra el calibre de cable dependiendo de los amperes
Por lo tanto el calibre de cable correspondiente a los moacutedulos e inversores se
muestra en la tabla 5
Tabla 5 Calibre de conductor de puesta a tierra
Equipo Calibre1
Moacutedulos FV 15
Inversores 10
1 Calibre dado en AWG
33 Resistividad del suelo
El meacutetodo para la medicioacuten de la resistividad del suelo se realizoacute mediante caiacuteda de
potencial conforme a la figura 4 con el cual se obtuvo una resistividad de 225 Ωm
Figura 25 Conexiones ubicadas en la parte inferior del inversor Solis-10k-LV
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
39
34 Resistencia de la varilla
En la tabla 5 se muestran las caracteriacutesticas necesarias para el caacutelculo de la
resistencia de la varilla a utilizar teniendo la resistividad del suelo
Tabla 6 Caracteriacutesticas de la varilla de tierra Total gound a utilizar
Material Acero con recubrimiento de cobre
Altura 15 m
Diaacutemetro de varilla frac34rdquo
Teniendo en cuenta que el diaacutemetro de la varilla se encuentra en pulgadas se
realiza a la conversioacuten en metros para aplicar la ecuacioacuten 5 teniendo que
1 119901119906119897119892119886119889119886 = 0254 119898119890119905119903119900119904
Se tiene
34frasl 119901119906119897119892119886119889119886119904 (
0254 119898119890119905119903119900119904
1 119901119906119897119892119886119889119886) = 01905 119898119890119905119903119900119904
Por lo tanto la resistencia de la varilla es
119877119879 =225120570119898
2120587(15119898)∙ 119871119899 ((
4(15119898)
01905119898) minus 1) = 23873 ∙ 119871119899(304960) = 120790 120783120787120790120790120628
35 Electrodos en paralelo
Teniendo en cuenta que se requiere tener una resistividad entre 1 a 5 ohm se
analizaran las resistividades para 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo para
obtener una resistencia de 25 ohm por lo tanto aplicando la ecuacioacuten 6 se tiene
Para dos electrodos
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
40
1198772119864 =81588
2∙ 116 = 120786 120789120785120784120783120628
Para tres electrodos
1198773119864 =81588
3∙ 129 = 120785 120787120782120790120784120628
Para cuatro electrodos
1198774119864 =81588
4∙ 136 = 120784 120789120789120786120782120628
36 Conexioacuten del sistema de puesta a tierra
En los moacutedulos FV la conexioacuten a tierra se realiza en el marco de estos en paralelo
utilizando terminales para tierra fiacutesica que en la figura 26 se muestra un del tipo
lenguumleta de 1 orificio que es el entregado por el proveedor de Solar House reg y
este debe de estar atornillado en el orificio del marco del moacutedulo que contenga el
siacutembolo de tierra (Figura 27)
En el inversor Solis-10K dentro de la salida de corriente alterna (AC) ubicada en
lado derecho (Figura 25) el conector de este tiene cinco orificios donde se indican
la fase (F) 1 (bifaacutesica) 2 (trifaacutesica) Neutro (N) y G (tierra) siendo este uacuteltimo donde
debe conectarse el conductor de tierra fiacutesica hacia el electrodo (Figura 28) [9]
Figura 26 Terminal de tierra tipo
lenguumleta de 1 orificio
Figura 27 Conexioacuten del conductor de tierra
en los moacutedulos FV
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
41
Debido a que el calibre del conductor en los moacutedulos es 14 AWG y del inversor es
10 AWG para el cumplimiento de la norma esta debe estar dentro de tuberiacutea de la
cual se utilizaraacute conduit galvanizado (Figura 29A) y licuatite (Figura 29B) de 1rdquo junto
con los conductores DC y AC
Para la unioacuten de los conductores de cada serie e inversor es necesario la utilizacioacuten
de una barra de unioacuten de tierra (Figura 30) debido a que no se estaacute permitido el uso
de empalmes
Figura 28 Conector de salida AC del inversor Solis-10K
A) B)
Figura 29 Tuberiacutea A) conduit galvanizado y B) licuatite
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
42
Mediante las barras de unioacuten se llegue a un solo conductor el cual conecte todos
los equipos a proteger esteacute se conecta al borne A del acoplador de impedancia
(Figura 18A) y del borne D a una de las varillas en paralelo mediante un conector
(Figura 17) siendo este conductor del calibre de mayor tamantildeo calculado es decir
de 10 AWG sin embargo se pueden utilizar de mayor calibre para una mejor
proteccioacuten
Capiacutetulo 4 Resultados
En base a los resultados del estudio de resistencia del suelo se obtuvo que en la
zona se tiene 225 Ωm lo que representa una muy baja resistencia natural que en
base a la tabla 1 se puede inferir que el tipo de suelo puede ser Arcilla no saturada
basamento (Roca fracturada saturada con agua salada) o limos saturados Por lo
tanto el sistema de electrodos en paralelos no seraacute demasiado grande lo cual seraacute
un beneficio econoacutemico para la empresa
A lo correspondiente al electrodo se propone la utilizacioacuten de varilla de acero con
recubrimiento de cobre de la marca Total ground reg con medidas de frac34rdquo de ancho
por 15 metros de largo con el cual con la resistencia del suelo medida con el
Figura 30 Barra de unioacuten con gabinete Total ground
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
43
medidor de tierra se obtiene una resistividad en la varilla de 81588 Ω lo cual estaacute
dentro del maacuteximo requerido en la NOM-001-SEDE-2005 sin embargo en la
ecuacioacuten 5 se puede observar que la resistividad de la varilla o electrodo se
encuentra en funcioacuten de la resistencia del suelo su diaacutemetro y longitud Es por ello
que durante las mediciones de tierra se busca la zona que se presenta menor
resistencia y ademaacutes se utilizan electrodos de mayores dimensiones donde en la
figura 23 y 24 se observan las curvas correspondientes de diaacutemetros y longitudes
de electrodo contra resistencia del terreno donde aumentando el diaacutemetro la
resistencia disminuye a un momento donde es constante por lo que no es muy
recomendable aumentar el diaacutemetro
Ademaacutes la IEEE y la NFPA sugieren que estaacute tenga una resistividad entre 1 a 5 Ω
por lo que obtenido con una varilla no se encuentra dentro del rango por lo que es
necesario utilizar electrodos en paralelo Calculando redes de 2 3 y 4 varillas
conectadas se obtuvieron las resistividades respectivas presentadas en la tabla 7
Tabla 7 Resistividad de 2 3 y 4 electrodos conectados en paralelo
Electrodos en paralelo Resistividad
2 47321 Ω
3 35082 Ω
4 27740 Ω
Siendo las tres configuraciones aceptables sin embargo se propone la utilizacioacuten
de 4 electrodos debido a que se entra en el rango medio de lo recomendado por la
IEEE y la NFPA
En la figura 31 se muestra el esquema de conexioacuten del sistema de puesta tierra
disentildeado para cada inversor considerando 4 series de 11 moacutedulos de los cuales
al tener el inversor conexiones directas de entrada para las series no existen
conexiones en paralelos lo que causariacutea que la corriente que circulariacutea en los
conductores aumentara obligando a utilizar calibres mayores siendo la corriente
de salida del inversor (25 A) la medida de referencia para el cableado general del
44
sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
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sistema de puesta a tierra ademaacutes mediante una barra de unioacuten se conectan las
series e inversor de una manera maacutes segura eficiente y esteacutetica que utilizando
empalmes envueltos con cinta aislante o tapones
Seguido de la barra de unioacuten teniendo todos los equipos a proteger conectados a
un solo conductor estos se conectan al acoplador conforme a lo indicado en la
seccioacuten 244 en el cual es opcional conectar los bornes B y C sin embargo los
equipos se protegen ante corrientes inducidas en el electrodo siguiendo el camino
de menor impedancia siendo estos una estructura metaacutelica o tuberiacutea de agua
Por uacuteltimo los electrodos en paralelo se deben instalar con su respectiva fosa en
la cual se puede colocar el acondicionador de suelo para mantener condiciones de
resistencia maacutes estables debido a que el suelo se ve afectado por agentes
climaacuteticos como humedad y temperatura principalmente
Figura 31 Diagrama de sistema de puesta a tierra por inversor
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Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
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[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
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Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
45
Capiacutetulo 5 Conclusiones
El disentildeo de un sistema de tierra fiacutesica no solo implica un anaacutelisis de las
caracteriacutesticas eleacutectricas de los equipos a proteger sino que tiene una relacioacuten con
el anaacutelisis del terreno en donde se planea colocar tal sistema
El principio del que se basa la proteccioacuten mediante tierra fiacutesica considera la Ley de
Coulomb en donde si dos cargas puntuales se conectaran mediante un conductor
estas cargas se equilibran y la razoacuten por la cual la conexioacuten se realiza con la tierra
es debido a que en si el planeta se considera como fuente de carga infinita esta
tiende a un potencial con valor de cero por lo que en teoriacutea cualquier conductor
conectado a tierra tomaraacute o cederaacute de eacutel las cargas para que el potencial de ambos
sea igual por lo que el potencial de ambos seraacute cero
La importancia de tener todo equipo eleacutectrico o electroacutenico puesto a tierra implica
proteccioacuten ante descarga eleacutectrica tanto puede dantildear los componentes internos de
alguacuten dispositivo o dantildeos en la salud por contacto La razoacuten por la cual en antildeos
pasados la instalacioacuten de sistemas de puesta a tierra no se encontraba normado
era debido que no existiacutean dispositivos electroacutenicos los cuales estos son sensibles
a variaciones de voltajes o corriente y los sistemas fotovoltaicos no son la
excepcioacuten
Los sistemas interconectados e incluso los aislados en su totalidad lo constituyen
dispositivos electroacutenicos como lo son inversores y reguladores de igual manera por
su naturaleza los moacutedulos fotovoltaicos son dispositivos electroacutenicos debido a
constan de una serie de semiconductores Ante esto los sistemas fotovoltaicos
deben conectarse a tierra en donde se deben proteger tanto los moacutedulos como el
inversor
Para ello se debe iniciar con la medicioacuten de la resistencia del suelo en donde a las
afueras de los edificios del CIDE Aguascalientes se obtuvo un promedio de 225
Ωm mediante el uso de un teluacutemetro que se basa en el meacutetodo de caiacuteda de
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
46
potencial La resistencia medida se considera buena debido a que se busca que
estaacute sea lo maacutes cercano a cero
Lo siguiente es evaluar la resistencia del electrodo a utilizar en el cual se propuso
una varilla de acero con cubierta de cobre de frac34rdquo de ancho y 15 m de longitud con
la cual se obtuvo una resistencia dentro lo que dicta la NOM-001-SEDE-2005 sin
embargo no se encuentra dentro de lo ideal por lo cual se disentildeoacute un sistema de
cuatro electrodos en paralelo obteniendo una resistencia de 27740 Ωm lo cual se
encuentra dentro del rango ( de 1 a 5 Ωm)
Por uacuteltimo se debe considerar el conductor a utilizar y la conexioacuten en donde la
NOM-001-SEDE-2005 en la tabla 250-95 (Tabla 2) establece la capacidad maacutexima
en amperes seguacuten el calibre del conductor para tierra fiacutesica en AWG en donde en
al tabla 5 se observa que el conductor para la proteccioacuten de los moacutedulos es de
calibre 14 AWG y para cada inversor es de 10 AWG sin embargo es posible utilizar
el calibre 10 AWG para ambos ademaacutes de este debe ser de color verde o aislado
(Figura 9) A lo referente a la conexioacuten el conductor se debe fijar al marco de
aluminio de cada moacutedulo de manera paralela mediante terminales (Figura 27)
preferentemente los de tipo lenguumleta de un orificio (Figura 26) mientras que en el
inversor en el conector de salida AC (Figura 28) y estos deben de ir dentro de
tuberiacutea conduit (Figura 29) debido a que aquellos calibres menores al 4 AWG
pueden ir sin tuberiacutea Ademaacutes las uniones deben de ser mediante barras de unioacuten
(Figura 30) sin cables empalmados Ademaacutes el sistema contiene un acoplador de
impedancias que protege a los equipos de corrientes inducidas en el electrodo y
por uacuteltimo la conexioacuten en el electrodo debe realizarse con conectores como los que
se muestran en la figura 17 para asegurar una efectiva unioacuten entre electrodo y
conductor
De manera general para una puesta a tierra eficaz es importante conocer las
caracteriacutesticas eleacutectricas del equipo a proteger asiacute como localizar una zona cercana
a los equipos a proteger con la menor resistencia y en base a tales paraacutemetros se
estima el tamantildeo y cantidad de electrodos a utilizarse el calibre de conductor
adecuado Con ello se garantizan ahorros econoacutemicos en reparaciones o sustitucioacuten
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
[6] Total ground ldquoManual de instalacioacuten del sistema para puesta a tierra y
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[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
47
de equipos dantildeados asiacute como la salvaguarda de las personas que esteacuten en
contacto con estos
Bibliografiacutea
[1] Secretaria de Energiacutea ldquoNOM001-SEDE-2005 Instalaciones eleacutectricasrdquo Diario
Oficial de la Federacioacuten Noviembre 2012
[2] Gregor Rojas ldquoManual para sistemas de puesta a tierrardquo Gedistruct 2015
[3] W R QQueshuayllo ldquoDisentildeo y ejecucioacuten de una puesta a tierra de baja
resistenciardquo Licenciatura en fiacutesica Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Lima Peruacute 2005
[4] MetAs amp Metroacutelogos Asociados ldquoTierra fiacutesica Meacutetodos de comprobacioacuten de
conexioacuten a tierra fiacutesicardquo La Guia MetAs Vol 8 no 03 pp 6-8 Marzo 2008
[5] M E Huete rdquoSistema de puesta a tierra y proteccioacuten para sistemas de
telecomunicacionesrdquo Licenciatura en Ingenieriacutea electroacutenica Universidad de San
Carlos de Guatemala Guatemala Guatemala Septiembre 2008
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pararrayosrdquo Total ground energy amp protetion system 2015
[7] Total ground ldquoCataacutelogo de productosrdquo Total ground energy amp protection system
2015
[8] J A Herrera O C Hernaacutendez ldquoCaacutelculo de la malla de puesta a tierra de una
subestacioacutenrdquo Scientia et Technica vol 9 no 22 pp 37-42 Octubre 2003
[9] Ninbo Ginlong technologies technical staff ldquoSolis three phase inverter
Installation and operation manualrdquo Ninbo Ginlong technologies Co 2014
