Tierras de Servicio

Según la definición de la Superintendencia de Electricidad y Combustibles, la tierra de servicio es: la puesta a tierra de un punto de la alimentación, en particular el neutro del empalme en caso de instalaciones conectadas en BT o el neutro del transformador que alimente la instalación en caso de empalmes en media o alta tensión, alimentados con transformadores monofásicos o trifásicos con su secundario conectado en estrella.

Este punto único conectado directamente a un electrodo, se debe entender como un punto de conexión a tierra cuyo potencial, es, por definición, el potencial de referencia. Por lo tanto, se equipara el potencial de referencia de BT con el potencial de tierra en dicho punto de conexión, para lograr, de esta manera, que toda la instalación eléctrica esté referida a un mismo potencial y que el neutro de la instalación tenga un voltaje nulo con respecto a tierra(1). Por otra parte, es bien sabido que en instalaciones de corriente alterna aisladas de tierra pueden originarse sobretensiones transitorias cuya causa es una combinación entre las capacidades que aparecen entre las líneas y tierra, y una falla aleatoria en la instalación con cierto tipo de impedancia (en especial fallas inductivas). La tierra de servicio, en paralelo a las capacidades de las líneas, se transforma también, entonces, en un puente que anula dichas capacidades. 

Sin embargo, como sabemos, cuando los sistemas son monofásicos o cuando las cargas de un sistema trifásico están desequilibradas, circulan corrientes por los neutros cuyo nivel puede llegar a igualar la corriente que circula por las fases. Entonces, dado que los cables tienen su propia impedancia, el potencial en el extremo del cable de neutro se eleva en un monto igual a la impedancia multiplicada por la corriente que conducen:

Naturalmente, mientras mayor sean las distancias de las líneas en cuestión con respecto a la tierra de servicio, mayor será el aumento de tensión en el extremo receptor del cable neutro, lo que en definitiva puede alterar el nivel de referencia de algunos aparatos conectados al sistema, en especial, equipos electrónicos. Por ejemplo, supongamos que por un conductor neutro de cobre de 2,5(mm2) de sección, circula una corriente de 8,7(A). La caída de potencial con respecto a tierra de servicio se puede calcular como:

Según esta expresión, en una distancia de 50(m) la tensión con respecto a tierra sería de 3,1(V), y en una distancia de 200(m) alcanzaría los 12,5(V) (un 5,7% de la tensión de alimentación de 220V). 

Un caso aún más extremo de corrientes elevadas en el neutro ocurre en el evento de una falla de fase a neutro. La tensión del conductor neutro con respecto a tierra puede aumentar en el lugar de defecto, a igualdad de sección del conductor de fase y del neutro, hasta un valor igual a la semitensión del conductor activo con respecto a tierra. (En la figura, Ue es la tensión con respecto a tierra, RMp la resistencia del conductor neutro, y UMp la caída de tensión en el neutro). 

Buscando una Solución

Veamos ahora qué ocurre con la instalación de una segunda tierra de servicio. En este caso, la caída de tensión no producida en el conductor de fase se distribuye entre las dos resistencias proporcionalmente al valor de éstas. Las resistencias del conductor neutro y de las dos tomas de tierra están conectadas en paralelo (la unión de los dos electrodos de tierra a través del terreno no tiene prácticamente resistencia fuera de la zona de influencia del electrodo de tierra)(2).

Por tanto, en una falla franca entre fase y neutro, la resistencia total (RT) del circuito recorrido por la corriente de defecto será,

y calculando, con RA=1(ohms), RMp=1(ohms), RB1=3(ohms), RB2=4(ohms), la resistencia total RT=1,875(ohms). Entonces, la corriente I que circula por el circuito es igual a

y la corriente IMp en el conductor neutro y la corriente IB en las tomas de tierra será

La tensión del conductor neutro con respecto a tierra, se distribuye de la siguiente manera: UE1 = IB x RB1 = 44,1(V) y UE2 = IB x RB2 = 58,8(V). De esta manera puede deducirse que las puestas a tierra situadas al principio y al final de la instalación, crean, en general, una tensión más favorable en el electrodo, existiendo un punto en el conductor neutro en que no hay tensión con respecto a tierra.

Si se distribuye un mayor número de tomas de tierra conectadas al conductor de neutro, se reduce la resistencia del conjunto conductor neutro y tierra como conductor de retorno, y, por tanto, también disminuye la tensión en el lugar del defecto. La caída de tensión no producida en el conductor de fase y en el lugar de falla, se distribuye asimismo por el conductor de neutro, como si solo hubiera dos electrodos de tierra. La tensión en dichos electrodos resulta, sin embargo, algo más reducida en la medida en que también disminuye la resistencia del conductor neutro y la toma de tierra en su acción conjunta. De ello se deduce que resulta ventajoso unir a tierra el conductor neutro en el mayor número de puntos posible. A igualdad de sección en los conductores neutro y fase, en el caso de muchos electrodos de tierra conectados al conductor neutro, la resistencia total del circuito de retorno puede reducirse a 1/3 o menos. En tales condiciones se establecen, en el conductor neutro, como tensiones máximas los valores indicados en la figura siguientes(2):

Es por esta razón que la Nch. Eléc. 4/2003 exige en el articulo 10.1.6.2. que el conductor neutro se ponga a tierra en la proximidad de la subestación y en distintos puntos de la red de distribución interna en BT, a distancias no superiores a 200 m y en los extremos de líneas, cuando las líneas de distribución excedan dicha longitud.

Referencias
(1) Descripción, Diagnóstico y Mantenimiento de Mallas a Tierra en Sistemas Eléctricos. Ernesto Bianchi Souter
(2) VDE0100.1976 Hornig/Schneider