⏚ Mallas y Puesta a Tierra
Guía Técnica de Terreno · RIC N°06 · Wenner · Schwarz · Construcción y Soldadura Exotérmica
Conceptos Fundamentales
La puesta a tierra es la unión eléctrica entre la instalación eléctrica y la masa del terreno mediante barras y conductores enterrados. De acuerdo con el Pliego Técnico Normativo RIC N°06 (Puesta a Tierra) del Decreto Supremo N°8/2019 del Ministerio de Energía, el sistema de puesta a tierra (SPT) tiene tres objetivos primordiales e indelegables:
- Seguridad de las personas: Desviar de manera inmediata y segura las corrientes de defecto a tierra, limitando las tensiones de paso y de contacto para evitar electrocuciones.
- Protección de las instalaciones y equipos: Garantizar la rápida operación de las protecciones automáticas (disyuntores termomagnéticos y protectores diferenciales) ante cualquier falla de aislación.
- Estabilización de potencial: Fijar el neutro del sistema a un potencial de referencia cero, mitigando sobretensiones transitorias de origen atmosférico o por maniobras de la red.
- Tierra de Servicio (TS): Conexión a tierra del Neutro del transformador (punto neutro de la conexión estrella del secundario del transformador), generador o fuente de energía (línea, fotovoltáica, etc.). Su función es fijar el potencial del neutro y permitir el retorno de corrientes desbalanceadas.
- Tierra de Protección (TP): Conexión a tierra de todas las masas metálicas accesibles de tableros, carcasas de motores, bandejas portaconductores y artefactos. En régimen normal no conduce corriente; solo actúa en caso de falla de aislación.
- Tensiones de contacto máximas admisibles: En instalaciones protegidas con diferencial (sensibilidad $\le 30\text{ mA}$), la resistencia de puesta a tierra debe asegurar que la tensión de contacto no supere jamás los 50 V en recintos secos ni los 24 V en recintos húmedos o mojados.
Método de Wenner: Medición de la Resistividad en Terreno
No es posible diseñar una malla de tierra confiable sin conocer previamente la resistividad aparente (Rho) del terreno. Asumir un valor estándar de catálogo suele derivar en mallas subdimensionadas peligrosas o en gastos desproporcionados de cobre. El método universalmente empleado y estipulado por la norma IEEE Std 81 y el RIC N°06 es el Método de los Cuatro Electrodos de Wenner.
Procedimiento en terreno Paso a Paso
Alineación y clavado de 4 electrodos auxiliares
Se clavan 4 picas o electrodos de prueba en línea recta en el terreno, separados exactamente por una distancia constante (a) entre cada uno. Es fundamental verificar que la profundidad de penetración de las picas en el suelo (b) Ojo, cumpla la regla de oro: enterradas solo 5 a 10 cm. Si se entierran demasiado, se distorsiona la distribución geométrica de las líneas de corriente.
Conexión al telurómetro / terrómetro de 4 bornes
Se conectan los cables desde las picas al equipo de medición de cuatro terminales:
- Electrodos exteriores (C1 y C2): Inyectan una corriente alterna conocida (I) al suelo.
- Electrodos interiores (P1 y P2): Miden la diferencia de potencial (V) generada por el paso de dicha corriente a través del volumen o capa de tierra.
Lectura de resistencia y prospección en profundidad
El telurómetro lee directamente la resistencia R = V / I en ohmios (Ω). Para conocer las distintas capas (estratos) del suelo, se repite la medición aumentando progresivamente el espaciamiento a (por ejemplo: a = 1, 2, 3, 4, 6, 8, 10\m). A mayor distancia entre picas (a), las líneas de corriente penetran más profundamente en el subsuelo (profundidad de exploración (b) aproximada igual a distancia a).
Medición en dos ejes ortogonales (cruzados a 90°)
Es obligatorio realizar la campaña de medición en al menos dos direcciones perpendiculares entre sí (Eje Norte-Sur y Eje Este-Oeste) para descartar anomalías geológicas locales, cañerías enterradas o pendientes que alteren la representatividad de la muestra.
Ecuación Fundamental de Wenner
La fórmula general rigurosa de Frank Wenner para electrodos enterrados a profundidad b es:
- ρ : Resistividad aparente del terreno [Ω·m] (Rho).
- a: Distancia de separación constante entre electrodos consecutivos[m].
- b: Profundidad de penetración o enterramiento de los electrodos en el suelo (en metros)[m].
- R: Resistencia leída en el telurómetro en [Ω].
Se considera que la condición se cumple cuando la separación (a) es al menos 20 veces mayor que la profundidad de entierro (b)
b (a > 20b), entonces, la ecuación se simplifica a la célebre fórmula de cálculo directo:
Donde: ρ = Resistividad aparente del terreno en [Ω·m], a = Espaciamiento entre electrodos contiguos en [m], b = Profundidad de entierro en [m], R = Resistencia leída en el telurómetro en [Ω].
Medición de Resistividad por Método de Wenner en Terreno
Disposición física de las cuatro picas alineadas con huincha de medir a distancia a, tendido de cables y operador registrando lecturas en el telurómetro digital de cuatro bornes.
Cálculo de la Malla mediante Ecuaciones de Schwarz
Una malla de puesta a tierra profesional se compone habitualmente de una cuadrícula horizontal de conductores de cobre desnudo complementada con barras verticales (electrodos Copperweld) en su perímetro y vértices. No es correcto calcular la resistencia total aplicando una simple fórmula de resistencias en paralelo (1/Rt = 1/R1 + 1/R2), ya que las corrientes que disipan los conductores horizontales y las barras verticales interactúan entre sí en el mismo volumen de suelo, produciendo un acoplamiento electromagnético mutuo.
Las Ecuaciones de S. J. Schwarz (incorporadas en la norma IEEE Std 80 y reconocidas por el RIC N°06) modelan este fenómeno con exactitud matemática a través de tres componentes:
1. Resistencia de la Malla Horizontal (R1)
Representa la resistencia a tierra de todos los conductores horizontales que forman la retícula:
- ρ : Resistividad aparente del terreno [Ω·m] (Rho, medida por el método de Wenner).
- Lc: Longitud total combinada de todos los conductores de la malla [m].
- a': Radio ajustado del conductor según su condición de instalación, Si la malla está enterrada a una profundidad h:a' = √(a x 2h) Raiz cuadrada de a por 2h. Si la malla está sobre la superficie del suelo (h = 0): a' = a ejemplo para un conductor de 50 mm² es 0.0045 m.
- h: Profundidad de enterramiento de la malla [m] (típicamente entre 0.6 y 0.8 m).
- A: Área física total cubierta por la cuadrícula [m²].
- k₁, k₂: Coeficientes de forma geométricos calculados por Schwarz según la relación largo/ancho de la malla.
Coeficientes de Forma Geométrica
- A/B : Relación de aspecto de la geometría rectangular..
- S: Superficie total del área cubierta por la malla en metros cuadrados (m²).
- h: Profundidad de enterramiento de la malla [m] (típicamente entre 0.6 y 0.8 m).
- A: Largo o lado mayor de la malla en metros (m)..
- B:Ancho o lado menor de la malla en metros (\(m\)).
2. Resistencia del Conjunto de Barras Copperweld clavadas Verticales en la malla (R2)
Representa la resistencia a tierra combinada del número n de barras Copperweld clavadas en el perímetro:
- ρ : Resistividad aparente del terreno [Ω·m] (Rho, medida por el método de Wenner).
- Nr: Cantidad total de barras Copperweld instaladas.
- Lr: Longitud de cada barra vertical [m] (ej. 1.5 m, 2.4 m o 3.0 m).
- S: Superficie total del área cubierta por la malla en metros cuadrados (m²).
- db: Diámetro de la barra vertical [m] (ej. para barra de 1/2", db = 0.0127 m).
- k₁: Coeficientes de forma geométricos calculados por Schwarz según la relación largo/ancho de la malla.
3. Resistencia Mutua entre Malla y Barras (Rm)
Modela el efecto de proximidad e interferencia mutua entre el conductor horizontal y los electrodos verticales:
- ρ : Resistividad aparente del terreno [Ω·m] (Rho, medida por el método de Wenner).
- Lc: Longitud total combinada de todos los conductores de la malla [m].
- h: Profundidad de enterramiento de la malla [m] (típicamente entre 0.6 y 0.8 m).
- Lr: Longitud de una barra copperweld vertical [m] (ej. 1.5 m, 2.4 m o 3.0 m).
- S: Superficie total del área cubierta por la malla en metros cuadrados (m²).
- d: Diámetro del conductor horizontal de la malla [m] (ej. para cable 4/0, d = 0.0254 m).
- k₁, k₂: Coeficientes de forma geométricos calculados por Schwarz según la relación largo/ancho de la malla.
4. Resistencia Total Equivalente de la Malla (Rg)
La resistencia final combinada de la malla a tierra se obtiene mediante la ecuación de acoplamiento de Schwarz:
- R₁: Resistencia del conductor horizontal o reticulado.
- R₂: Resistencia del conjunto de barras verticales.
- Rm: Resistencia mutua de acoplamiento entre la malla horizontal y las barras verticales
| Relación Largo / Ancho (L/W) | Coeficiente Geométrico k1 | Coeficiente Geométrico k2 | Aplicación Típica |
|---|---|---|---|
| 1 : 1 (Malla cuadrada) | -0.04 | 5.70 | Subestaciones compactas, cámaras de empalme, bodegas |
| 2 : 1 (Malla rectangular) | -0.05 | 5.65 | Galpones industriales estándar, parcelas, talleres |
| 3 : 1 (Malla alargada) | -0.08 | 5.50 | Líneas de producción, cierres perimetrales, faenas |
| 5 : 1 o superior | -0.12 | 5.20 | Trazados de servidumbre eléctrica, caminos de acceso |
DISEÑO DE MALLAS DE TIERRA DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN EN SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIÓN
Hugo Washington Colman Ortega
Construcción Física de la Malla en Terreno (Procedimiento Constructivo)
Una vez concluido el cálculo de ingeniería y aprobado el plano de instalación, se procede a la ejecución material en obra. El proceso debe realizarse con rigurosidad técnica para garantizar la vida útil de la instalación (proyectada para más de 30 años):
| Buena: Unión en T | Buena: Unión en Cruz | Buena: Fusión Limpia | Buena: Fusión Limpia |
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Soldadura exotérmica de Malla a Tierra
En la fila se muestran soldaduras sanas y limpias.
Replanteo topográfico y trazado de zanjas
Se demarca en el terreno el contorno perimetral y las cuadrículas interiores de la malla utilizando estacas, lienza y cal. Se verifica la no interferencia con canalizaciones subterráneas de agua, gas, alcantarillado o corrientes débiles.
Excavación de zanjas (Profundidad reglamentaria)
Se excavan las zanjas a una profundidad mínima de 0.60 m a 0.80 m bajo el nivel de terreno natural (NTN). Esta cota asegura que el conductor quede libre de variaciones climáticas estacionales (heladas, sequías superficiales) y protegido de futuras excavaciones o labores de jardinería. El fondo de la zanja debe ser nivelado y desprovisto de piedras angulosas o escombros que puedan cortar el cable al compactar.
Montaje de barras Copperweld con sufridera (protección de golpe)
Las barras verticales de acero con recubrimiento de cobre (Copperweld) de 5/8" o 3/4" se clavan en los vértices de la excavación mediante combo manual o rotomartillo neumático/eléctrico. Es obligatorio el uso de una sufridera o cabeza de impacto de acero en el extremo superior de la barra durante el golpe, evitando que el extremo de cobre se aplaste o abra como hongo, lo cual impediría el calce exacto del molde de soldadura.
Tendido y estiramiento del cable conductor de cobre desnudo
Se desenrolla el conductor de cobre blando desnudo (mínimo 4/0 o según memoria de cálculo). El cable debe tenderse en el fondo de la zanja en forma rectilínea, sin dobleces bruscos, respetando los radios de curvatura normativos para no generar tensiones mecánicas permanentes.
| Mucha soldadura o molde agotado | Cable o molde contaminado | Cable contaminado o mal sellado | Nunca unir fierro de construcción con la malla tierra |
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Soldadura exotérmica de Malla a Tierra: Defectos Comunes
En fila se presentan defectos comunes en la soldadura exotérmica por falta de limpieza, mal cubicado de soldadura, moldes dañados o que cumplieron su vida útil (aproximadamente entre 60 a 80 ejecuciones según fabricante) y/o mala ejecución.
IMPORTANTE: Nunca aterrizar la malla tierra al fierro de construcción (ni en cañería de agua) ya que el fierro queda en el centro del cemento y no tiene donde descargar la corriente de falla. lo único que se logra es que la corriente de falla se distribuya por el cemento y dejamos una loza energizada. Las estructuras se aterrizan para que la energía No se dispersa en el cemento y se dirija hacia la tierra para su descarga
PRIORIDAD ABSOLUTA: Soldadura Exotérmica y Limpieza Crítica
El estándar chileno RIC N°06 e internacional IEEE Std 80 exigen que las uniones enterradas de una malla de tierra sean irreversibles e inalterables en el tiempo. Por ello, está estrictamente prohibido el uso de prensas mecánicas o pernos de apriete en conductores subterráneos, debiendo ejecutarse uniones por soldadura exotérmica (termosoldadura / Cadweld).
¡ATENCIÓN CRÍTICA: EL ENEMIGO MORTAL ES LA HUMEDAD Y LA SUCIEDAD!
La soldadura exotérmica es una violenta reacción aluminotérmica a alta temperatura:
¿Qué ocurre si el conductor o el molde tienen humedad o suciedad?:
- Explosión por vaporización violenta: El agua atrapada a 2.000 °C se expande instantáneamente miles de veces su volumen en vapor sobrecalentado, provocando el estallido del molde y la eyección de metal líquido incandescente hacia el operador.
- Unión porosa y esponjosa ("falsa soldadura"): Los gases y la tierra quemada quedan atrapados en el interior de la masa fundida, creando cavernas, porosidades y escoria negra que reducen la sección efectiva del conductor a una fracción.
- Pérdida de continuidad ante cortocircuitos: Una soldadura porosa posee una resistencia eléctrica muy superior. Cuando se produce una falla real a tierra, el paso de miles de amperes funde y pulveriza la unión en el primer ciclo, dejando la instalación completamente desprotegida.
Protocolo Riguroso para Obtener Uniones "Limpias y Saludables"
Limpieza enérgica del conductor de cobre (Brillo Metálico)
El cable de cobre que entra a la cámara del molde de soldadura debe rasparse minuciosamente a 360° con un cepillo de alambre de acero o lija para metales. Se debe retirar toda la capa superficial de óxido marrón/verde, barro, grasa o películas aceitosas hasta conseguir un brillo metálico vivo. Si el conductor estuvo en contacto con agua o tierra húmeda, se debe secar previamente con soplete.
Limpieza y desescoriado del molde de grafito
El molde de grafito debe limpiarse antes de cada uso utilizando brochas o raspadores específicos para el crisol y la tobera, junto a un cepillo de cerdas naturales suaves. Nunca use desatornilladores ni limas de acero afiladas, ya que rayan y desgastan la cavidad de grafito, provocando fugas de metal fundido o quiebres al ejecutar la soldadura.
Precalentamiento OBLIGATORIO del molde con soplete
El grafito es un material higroscópico que absorbe la humedad ambiental de forma invisible. Antes de la primera soldadura de la jornada, o si el molde ha estado en reposo más de 15 minutos, es OBLIGATORIO precalentar el molde con soplete a gas a más de 120 °C durante 2 a 3 minutos. El molde debe sentirse caliente al tacto (con guantes) para asegurar que toda la humedad residual fue evaporada.
Cierre hermético con pinza alicate (Clamp)
Se colocan los conductores y barras limpios dentro de los canales del molde y se traba la pinza o mango alicate (clamp). Se debe inspeccionar visualmente que no queden separaciones ni holguras por donde pueda filtrarse el cobre líquido a la zanja. Si el cable está desgastado, se debe usar masilla selladora especial para moldes. Posicionamiento correcto y nivelación del molde para asegurar un desplazamiento uniforme del metal fundido.
Secuencia de carga y disparo seguro
Se introduce el disco metálico cóncavo en el fondo del crisol con el domo hacia arriba para tapar la tobera. Se vacía el cartucho con la porción exacta de polvo de soldadura (óxido de cobre + aluminio). Se espolvorea la pólvora de ignición fina sobre la carga, a lo largo del labio del molde y en la tapa. Se cierra el molde y se efectúa el disparo con chispero de pedernal desde un costado (¡nunca ubicando la cara ni el cuerpo frente a la chimenea de escape!).
Tiempo de enfriamiento e inspección visual
Se debe esperar entre 20 y 30 segundos antes de desenganchar la pinza para permitir que el metal se solidifique adecuadamente. Se abre el molde con cuidado y, mientras aún está caliente, se remueve la escoria superior con la espátula limpiadora para dejar el molde listo para la siguiente colada.
Checklist: ¿Cómo Identificar una Unión "Limpia y Saludable"?
| Parámetro | ✅ Unión "Limpia y Saludable" (Aprobada) | ❌ Unión Defectuosa (Rechazada / Cortar y Rehacer) |
|---|---|---|
| Color y Aspecto | Tono cobrizo dorado brillante, superficie metálica suave y homogénea. | Color negruzco, opaco o con manchas de carbón quemado. |
| Estructura | Masa de cobre sólida, maciza, envolviendo todos los hilos del conductor. | Porosa, con burbujas de gas visibles, huecos internos o aspecto de esponja. |
| Fusión | Fusión molecular completa entre conductores y con la cabeza de la barra. | Falta de fusión parcial; hilos de cobre sueltos o mordidos sin soldar. |
| Resistencia Mecánica | Resiste golpes moderados de martillo de goma y tracción manual firme sin fisuras. | Se triza, quiebra o desprende ante vibración o esfuerzo de tracción. |
Seguridad y Equipos de Protección Personal (EPP)
Durante la ignición exotérmica se liberan chispas incandescentes, gases a alta temperatura y radiación térmica instantánea. Trabajar sin la indumentaria de seguridad adecuada puede derivar en quemaduras cutáneas de tercer grado o lesiones oculares graves:
Medición de Aceptación Final y Cámara de Registro (RIC N°06)
Detalles clave de la normativa
- Valor máximo: 20 Ω para garantizar que las protecciones (como los disyuntores o diferenciales) actúen rápidamente ante una falla eléctrica.
- Medición: Se debe medir obligatoriamente usando un telurómetro certificado antes de aprobar y declarar cualquier instalación eléctrica.
- Dimensionamiento del electrodo: Las barras de cobre o acero cobrizado (copperweld) utilizadas habitualmente deben enterrarse de forma vertical con una longitud de referencia de al menos 2.44 metros.
- Mejora del sistema: Si la medición es superior a 20 Ohms, la norma exige agregar más electrodos (barras copperweld adicionales separadas por al menos 1.80 metros) o mejorar las características del terreno circundante (Agregar aditivos) hasta alcanzar el rango seguro.
Una vez completadas todas las uniones exotérmicas y antes de rellenar definitivamente las zanjas con tierra cernida (sin piedras grandes), se debe realizar la verificación final del sistema de puesta a tierra:
- Medición por Caída de Potencial (Método del 62%): Utilizando el telurómetro conectado a la malla desconectada y dos electrodos auxiliares clavados a distancias normalizadas, se mide la resistencia de difusión obtenida en terreno.
- Comparación de diseño: El valor medido debe ser igual o inferior al valor proyectado en la memoria de cálculo de Schwarz y cumplir estrictamente con los límites normativos del RIC N°06.
- Cámara de Inspección y Registro: La malla debe contar con una o más cámaras de registro accesibles a nivel de piso (hormigón o pvc) dotadas de tapa rotulada "PUESTA A TIERRA".
- Puente de Prueba / Seccionamiento: Al interior de la cámara de registro se debe instalar una barra o puente de desconexión desmontable con pernos de bronce o cobre. Este puente permite aislar la malla de la instalación eléctrica para efectuar los controles y remisiones periódicas obligatorias exigidas por la SEC.
