TL;DR

Por qué la resistividad del suelo es el primer número que necesitas

Antes de especificar el diámetro de la varilla de tierra, antes de elegir entre acero revestido de cobre y acero galvanizado, y antes de calcular cuántas varillas necesita una plataforma de subestación, necesita un dato clave: la resistividad del suelo en el lugar de instalación. Todas las decisiones de diseño posteriores dependen de esta medición.

En Shibang, nuestro equipo de ingeniería revisa las especificaciones de puesta a tierra de proyectos en seis continentes. La causa más común de problemas en obra no es una varilla defectuosa ni una mala conexión, sino un sistema de puesta a tierra diseñado sin un estudio adecuado de la resistividad del suelo. Los ingenieros que omiten este paso terminan modificando las instalaciones, añadiendo varillas adicionales o aplicando enmiendas al suelo meses después de la puesta en marcha original.

La resistividad del suelo indica la resistencia que ofrece la tierra en un emplazamiento determinado al paso de la corriente eléctrica. Una colina arenosa y seca en el centro de Australia podría registrar 2000 ohm-metros. Un delta fluvial arcilloso en Bangladesh podría registrar 30 ohm-metros. El mismo modelo de varilla de tierra revestida de cobre se comporta de forma completamente diferente en estos dos entornos, y el diseño debe reflejar esta diferencia desde el principio.

Los organismos de normalización lo reconocen.Códigos y normas de la NFPAEl marco, junto con IEC 62305 e IEEE 80, requieren o recomiendan encarecidamente datos de resistividad del suelo específicos del sitio antes de proceder con el diseño del sistema de puesta a tierra. Puede leer más sobre los fundamentos desistemas de puesta a tierray cómotierra (electricidad)Trabaja en ingeniería eléctrica para comprender por qué esta medición lo controla todo.

¿Qué mide realmente la resistividad del suelo?

La resistividad del suelo cuantifica la oposición que presenta un volumen unitario de suelo al flujo de corriente eléctrica. Los ingenieros la expresan en ohm-metros (ohm-m). El valor depende de cuatro factores principales:

Contenido de humedad.El agua reduce drásticamente la resistividad. Un suelo seco puede registrar valores superiores a 1000 ohm-m; el mismo suelo, a capacidad de campo, podría presentar valores inferiores a 100 ohm-m. Por ello, es importante realizar pruebas estacionales y recomendamos medir durante las condiciones más secas previstas para incorporar un margen de seguridad en el sistema.

Concentración de iones.Las sales disueltas en el agua del suelo aumentan la conductividad. Las zonas costeras, los terrenos agrícolas con historial de fertilización y las salinas desérticas presentan valores de resistividad inferiores a los de la arena de cuarzo pura. Nuestros registros de producción muestran que los clientes de Oriente Medio y el Norte de África suelen trabajar con suelos arenosos de alta resistividad que requieren tratamiento químico.

Temperatura.La resistividad aumenta a medida que el suelo se enfría. El suelo congelado puede incrementar la resistividad hasta diez veces o más en comparación con el mismo terreno a 20 grados Celsius. Los proyectos en el norte de Canadá, Escandinavia o Rusia deben tener en cuenta la profundidad de congelación y colocar varillas de tierra por debajo de ella.

Composición y densidad del suelo.Las partículas de arcilla conducen mejor la electricidad que la arena o la grava porque retienen la humedad y los iones en su gran superficie. La roca, la pizarra y el granito descompuesto varían considerablemente. Un terreno con geología estratificada mostrará diferente resistividad a distintas profundidades, por lo que el perfilado de resistividad en profundidad es tan importante como la medición en superficie.

La prueba de cuatro puntos de Wenner: cómo miden los ingenieros la resistividad del suelo en el campo.

El método de Wenner de 4 puntos sigue siendo la técnica de campo estándar de la industria para pruebas de resistividad del suelo. Es sencillo, portátil y proporciona resultados que se utilizan directamente en los cálculos de diseño de puesta a tierra. TestGuy ofrece una excelente guía paso a paso deExplicación de las pruebas de resistividad del suelocon detalle práctico.

Nuestros ingenieros de campo siguen este procedimiento en cada nuevo estudio de campo:

Paso 1: Diseño.Clave cuatro electrodos equidistantes en el suelo, alineados en línea recta. Etiquételos como C1, P1, P2 y C3, de izquierda a derecha. La distancia entre cada par adyacente es "a", y esta distancia se elige según la profundidad del suelo que se desea investigar. Una distancia de 1 metro proporciona una resistividad promedio en los primeros 0,5 metros aproximadamente. Una distancia de 10 metros permite sondear hasta aproximadamente 5 metros de profundidad.

Paso 2: Inyectar corriente.Conecte un medidor de resistencia de tierra (como un Megger serie DET o un Fluke 1621) a los electrodos exteriores (C1 y C2). El instrumento inyecta una corriente alterna conocida a través del suelo entre ellos.

Paso 3: Medir el potencial.El instrumento mide la diferencia de voltaje entre los electrodos internos (P1 y P2). Esta caída de voltaje, dividida por la corriente inyectada, proporciona el valor de resistencia R.

Paso 4: Calcular.Aplique la fórmula de Wenner:

Resistividad (rho) = 2 x pi xax R

donde “a” es la distancia entre electrodos en metros y R es la resistencia medida en ohmios. El resultado es la resistividad del suelo en ohm-m.

Perfilado de profundidad.Repita la prueba a diferentes distancias (1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m) para crear un perfil de resistividad en función de la profundidad. Este perfil revela si existe una capa conductora a mayor profundidad, lo que podría justificar el uso de varillas de 3 metros en lugar de los 2,4 metros estándar.

Cuándo realizar la prueba.Especificamos realizar las pruebas bajo las condiciones estacionales más secas previstas, ya que los sistemas de puesta a tierra deben funcionar durante todo el año. Realizar las pruebas solo durante la temporada de lluvias arroja resultados optimistas que no reflejan las peores condiciones posibles en verano o durante una sequía.

En una planta petroquímica de la Provincia Oriental de Arabia Saudita, se midió una resistividad del suelo superficial de 1800 Ω·m durante la estación seca. Después de que nuestro equipo técnico especificara tres varillas revestidas de cobre de 3 metros (AF-0232, capa de cobre de 0,254 mm) hincadas a 5 metros de profundidad con una separación de 6 metros, la resistencia de tierra medida se redujo a 3,8 Ω, muy por debajo del objetivo de 5 Ω requerido por la norma IEC 62305 para la protección contra rayos de los tanques de almacenamiento.

Cómo la resistividad del suelo influye en la selección de la varilla de tierra.

Una vez que tenga los datos de resistividad del suelo, podrá seleccionar con seguridad la varilla de tierra adecuada. El valor de resistividad le indica tres cosas: qué material resistirá mejor la corrosión en ese suelo, qué geometría de varilla (diámetro y longitud) necesita y si una sola varilla alcanzará la resistencia de tierra deseada o si necesita varias varillas en una configuración.

Este es el marco general que utilizamos en Shibang al asesorar a nuestros clientes:

Esta tabla es un punto de partida, no un sustituto del diseño detallado. El ingeniero también debe considerar el pH del suelo, el contenido de cloruro, los niveles de sulfato y la variación de la humedad para seleccionar el material final. En la siguiente sección, profundizamos en la selección de materiales.

Nuestrovarilla de puesta a tierra revestida de cobreLa gama (modelo AF-0232) abarca diámetros de 14,2 mm a 25 mm (5/8 a 3/4 de pulgada) y longitudes de 1,2 m a 3,0 m (4 a 10 pies). La capa de cobre tiene un espesor mínimo de 0,254 mm y una pureza del 99,95 % o superior, unida a un núcleo de acero con bajo contenido de carbono. Esto confiere a la varilla una alta resistencia a la tracción (al menos 580 N/mm) para hincado, manteniendo la resistencia a la corrosión del cobre en la mayoría de los tipos de suelo. Esta línea de productos cuenta con la certificación ISO 9001:2008.

A principios de 2023, un ingeniero de proyecto para una subestación de 132 kV en Tamil Nadu especificó varillas galvanizadas para reducir el peso de adquisición en un emplazamiento remoto en la cima de una colina. Cuando nuestro equipo revisó el informe del suelo —suelo laterítico, pH 4,8, resistividad de 280 Ω·m a 3 metros de profundidad—, recomendamos cambiar a varillas revestidas de cobre a pesar del mayor peso unitario. El razonamiento: el bajo pH de la laterita y su alto contenido de óxido de hierro aceleran la corrosión del zinc, y la ubicación remota encarecía la logística de la futura sustitución de las varillas. El ingeniero aceptó la recomendación. Dos años después de la instalación, las lecturas de resistencia de tierra se mantienen estables en 1,6 Ω.

Selección del material de la varilla de tierra según las condiciones del suelo.

Los fabricantes de varillas de tierra ofrecen varias opciones de materiales, y cada una se adapta a un conjunto particular de condiciones del suelo. Así es como las combinamos:

Varillas de acero revestidas de cobre

Las varillas revestidas de cobre combinan un núcleo de acero (para resistencia mecánica y durabilidad de accionamiento) con una gruesa capa exterior de cobre (para resistencia a la corrosión y baja resistencia de contacto con el suelo).varilla de puesta a tierra revestida de cobreLos modelos utilizan un proceso de unión continua de cobre, no un recubrimiento delgado. Esto es importante en suelos agresivos, donde una capa de cobre depositada o soldada puede delaminarse con el tiempo.

Las varillas revestidas de cobre funcionan mejor en suelos neutros a alcalinos (pH 6 a 9) con humedad moderada. Resisten la corrosión de la mayoría de los tipos de suelo y mantienen una resistencia a tierra estable durante décadas. Las recomendamos para centrales eléctricas, subestaciones, torres de líneas de transmisión, estaciones base de comunicaciones, aeropuertos, ferrocarriles, edificios de gran altura y refinerías de petróleo. Su vida útil supera los 50 años en condiciones normales de suelo.

Varillas de acero galvanizado

Ofrecemos varillas galvanizadas (recubiertas de zinc) a un precio inferior al de las revestidas de cobre, y si bien brindan una protección aceptable contra la corrosión en suelos alcalinos, nuestros datos de fabricación y de campo demuestran que el zinc se disuelve más rápido que el cobre en suelos ácidos (pH inferior a 5) y en suelos con alto contenido de sulfatos. Hemos documentado varios casos en los que las varillas galvanizadas en suelos agresivos fallaron mucho antes de su vida útil prevista, por lo que recomendamos a los clientes en regiones tropicales o afectadas por la lluvia ácida que opten por varillas revestidas de cobre en lugar de galvanizadas para cualquier proyecto con una vida útil de diseño de 25 años o más.

Nuestros registros de garantía de un envío realizado en 2019 a una zona costera del sur de Vietnam muestran que las varillas galvanizadas instaladas en suelo con un pH de 5,2 y una resistividad de 120 Ω·m comenzaron a presentar corrosión superficial visible en un plazo de 18 meses. El recubrimiento de zinc se había adelgazado de los 86 micras especificados a menos de 40 micras en la interfaz suelo-aire. Sustituimos la instalación completa de 240 varillas por unidades revestidas de cobre, sin coste alguno para nosotros y en virtud de la garantía. Las varillas de reemplazo llevan más de cinco años en servicio sin que se haya detectado degradación apreciable.

Electrodos de puesta a tierra química

Cuando la resistividad del suelo se mantiene por encima de 500 ohm-m incluso en profundidad, una varilla sin recubrimiento por sí sola no puede alcanzar los valores de resistencia deseados.electrodos de puesta a tierra químicaEstas unidades cubren esta necesidad. Contienen un tubo hueco de cobre relleno de sales minerales que se filtran lentamente en el suelo circundante, reduciendo la resistividad local a lo largo de meses y años. Mantienen su rendimiento en entornos áridos y rocosos donde la humedad natural es escasa.

Suministramos electrodos químicos para proyectos en Oriente Medio, el norte de África y el centro de Australia. En una instalación típica, el técnico perfora un pozo, inserta el electrodo, lo rellena con un compuesto conductor y lo conecta a la red de puesta a tierra principal. Con el tiempo, la difusión de la sal crea una capa de baja resistividad alrededor del electrodo.

Módulos terrestres

Módulos terrestresOfrecen una alternativa para suelos difíciles. Estas unidades prefabricadas combinan un conductor metálico con un cuerpo circundante de material conductor (a menudo un compuesto a base de carbono o arcilla). Los ingenieros las entierran en puntos estratégicos de la red de puesta a tierra para reducir la resistencia local sin el mantenimiento que a veces requieren los electrodos químicos.

Los módulos de tierra funcionan bien en perfiles de suelo mixtos donde existe una capa conductora, pero demasiado superficial para la instalación convencional mediante varillas. Hemos enviado módulos de tierra a estaciones repetidoras en la cima de montañas en los Andes, instalaciones de radar en el desierto de Omán y subestaciones de parques eólicos costeros en Vietnam.

Explorar todas las opciones

Nuestro completoCategoría de varilla de tierra y varilla de puesta a tierraIncluye configuraciones de cobre revestido, galvanizado, acero inoxidable y especiales. La elección correcta depende del análisis químico del suelo, la resistencia deseada y la vida útil prevista de la instalación.

Profundidad de instalación, diámetro de la varilla y regla de varillas múltiples

Los datos de resistividad del suelo también sirven de guía para tres parámetros de diseño físico: la profundidad a la que se debe clavar la varilla, el diámetro que se debe utilizar y la cantidad de varillas que se deben instalar.

Profundidad

Las varillas más profundas alcanzan capas de suelo con mayor humedad y menor resistividad. Una instalación residencial estándar podría utilizar una varilla de 2,4 metros (8 pies). La red de puesta a tierra de una subestación suele especificar varillas de 3 metros (10 pies). En regiones de alta resistividad, los ingenieros a veces instalan varillas de 6 metros o más mediante la unión de varias secciones.

Nuestras varillas revestidas de cobre incorporan un manguito de acoplamiento que permite unir secciones en obra. Una varilla de 3 metros con una extensión de 1,5 metros alcanza los 4,5 metros. El acoplamiento mantiene la rectitud especificada (con un margen de error de 1 mm/m o menos) a lo largo de la unión, evitando así que la varilla se doble durante el hincado.

Diámetro

El diámetro de la varilla de tierra influye tanto en la durabilidad mecánica durante la instalación como en la resistencia a la corrosión a largo plazo. Una varilla de 14,2 mm (5/8 de pulgada) es adecuada para la mayoría de las instalaciones residenciales y comerciales ligeras donde se utiliza un taladro percutor o un destornillador. Una varilla de 25 mm (3/4 de pulgada) soporta las mayores cargas mecánicas de la perforación profunda en suelos compactados o rocosos y proporciona una mayor superficie de cobre para un mayor margen de protección contra la corrosión.

Nuestros registros de producción muestran que las varillas de 5/8 de pulgada representan la mayor parte del volumen en proyectos de clima templado (América del Norte, Europa, Asia Oriental), mientras que las varillas de 3/4 de pulgada tienen una mayor demanda en proyectos de Oriente Medio y Australia, donde es común realizar hincados más profundos en suelos más duros.

Matrices de varillas múltiples

Cuando una sola varilla no alcanza la resistencia de tierra deseada, se añaden varillas. La regla general es la siguiente: la distancia entre varillas adyacentes debe ser al menos igual a su profundidad de enterramiento. Para varillas de 3 metros, utilice una separación mínima de 3 metros. Esta separación evita que las zonas de reducción de resistencia alrededor de cada varilla se superpongan demasiado.

La resistencia combinada de un conjunto de varillas múltiples no es simplemente la resistencia de una sola varilla dividida por el número de varillas. La interacción entre los suelos reduce la eficiencia. Un conjunto de dos varillas alcanza aproximadamente el 60 % de la resistencia de una sola varilla, no el 50 %. Un conjunto de tres varillas alcanza entre el 45 % y el 50 %. Estas cifras son aproximadas; la relación real depende de la homogeneidad de la resistividad del suelo y del espaciado entre las varillas.

Siete defectos de conexión a tierra que nuestro laboratorio de fábrica encuentra en las hojas de especificaciones devueltas

Tras más de 17 años fabricando productos de puesta a tierra y prestando soporte a proyectos en todo el mundo, nuestro equipo ha catalogado defectos recurrentes de especificación e instalación que se detectan en las investigaciones de garantía y en los análisis posteriores a la finalización de proyectos en diversos países e industrias. Los siete errores que se describen a continuación son responsables de la mayoría de las fallas prematuras de las varillas y de las lecturas de resistencia de puesta a tierra deficientes que encontramos:

Omitir el estudio de resistividad del suelo.En ocasiones, los ingenieros recurren a los valores teóricos del suelo para una región en lugar de realizar pruebas en el terreno real. Incluso dentro de una misma propiedad, la resistividad puede variar hasta cinco veces entre el extremo norte y el extremo sur debido a los patrones de drenaje, el historial de relleno o la profundidad del lecho rocoso.

Prueba realizada únicamente a una profundidad.Una sola prueba de Wenner con una separación mínima no aporta casi ninguna información sobre el perfil estratificado del subsuelo. Realice siempre pruebas con una separación mínima de tres puntos para identificar las capas conductoras, las capas resistivas y la transición entre ellas.

Ignorando la variación estacional.Realizar pruebas únicamente durante la temporada de lluvias puede dar resultados engañosos. Los sistemas de puesta a tierra deben funcionar en las condiciones más secas, calurosas y frías que pueda experimentar el sitio. Recomendamos a nuestros clientes realizar pruebas al menos dos veces: una durante la temporada de lluvias y otra durante la temporada seca.

Especificación incorrecta del diámetro de la varilla.Utilizar la varilla más delgada disponible para minimizar el peso del material puede parecer razonable en teoría, pero en suelos duros o rocosos, una varilla delgada se dobla, se deforma o se rompe durante la instalación. Esto supone una pérdida de tiempo y un diseño deficiente del sistema. Recomendamos varillas de 25 mm (3/4 de pulgada) para cualquier terreno rocoso o compactado.

Olvidando el acoplamiento.Cuando los ingenieros necesitan varillas de 4,5 o 6 metros de profundidad, a veces intentan soldar dos secciones. La soldadura destruye la capa de cobre en la unión, creando un punto de corrosión que falla en pocos años. Utilice siempre un acoplamiento mecánico diseñado específicamente para preservar la continuidad del revestimiento de cobre.

Descuidar la calidad de la conexión.La mejor varilla de tierra del mundo es inútil si la conexión al conductor está floja, corroída o hecha con metales incompatibles. Las conexiones de cobre a cobre con soldaduras exotérmicas o conectores mecánicos homologados mantienen su integridad a largo plazo. Mezclar varillas de cobre con abrazaderas galvanizadas en un ambiente húmedo crea una celda de corrosión galvánica que destruye la conexión con el tiempo.

No estoy leyendo el análisis químico del suelo.La resistividad por sí sola no predice la corrosión. Un suelo con resistividad moderada (300 ohm-m) pero con alto contenido de sulfatos y pH bajo atacará el cobre más rápido de lo esperado. Siempre combine la prueba de resistividad con un análisis químico del suelo (pH, cloruros, sulfatos, humedad) para seleccionar correctamente el material de la varilla.

Nuestro laboratorio de control de calidad en Xinchang realiza una prueba de niebla salina (ASTM B117) a cada nuevo lote de varillas revestidas de cobre. En los últimos 47 lotes (N=47, que representan aproximadamente 235 000 varillas individuales), el espesor medio de la capa de cobre fue de 0,268 mm con una desviación estándar de 0,012 mm. Ningún lote presentó un espesor inferior al mínimo de 0,254 mm. La prueba de corrosión tiene una duración de 1000 horas, y ningún lote ha mostrado exposición del metal base durante ese período.

Preguntas frecuentes

Para conocer la gama completa de productos de puesta a tierra fabricados en nuestras instalaciones, visite nuestra página web.Categoría de varilla de tierra y varilla de puesta a tierrapágina. También puedes leer sobreQué es la conexión a tierra y por qué es importante.a partir de recursos más amplios de la industria.