El sistema de tierras es de esos elementos que nadie mira mientras funciona y que todos lamentan cuando falla. Se instala una vez, se documenta en el proyecto, y después se queda enterrado durante años sin que nadie vuelva a medirlo. El problema es que es la única parte de la instalación eléctrica cuyo deterioro no se ve, no hace ruido y no dispara una alarma — hasta que ocurre una falla a tierra y la corriente no encuentra el camino que debería, o un operador toca una carcasa que no debería estar energizada.
Si diriges la operación o el proyecto eléctrico de una planta, el sistema de tierras debería estar en tu lista de activos críticos, no en la categoría de "obra civil que ya quedó". Una resistencia de tierra que subió de 5 a 40 ohm porque las conexiones se corroyeron no se nota en la producción, pero cambia por completo lo que pasa el día de una falla. Este artículo explica qué es el sistema de tierras, qué funciones cumple, qué pide la normativa mexicana, cómo se mide correctamente y qué hacer cuando los números no dan.
Qué es el sistema de tierras
El sistema de puesta a tierra es el conjunto de electrodos, conductores y conexiones que une intencionalmente la instalación eléctrica de la planta con la tierra física — el terreno. No es un solo cable ni una sola varilla: es una red completa que incluye electrodos enterrados (varillas, placas, anillos o mallas), el conductor del electrodo de puesta a tierra, los conductores de puesta a tierra de los equipos que conectan las carcasas metálicas, y las conexiones que amarran todo eso a la barra de tierra principal.
El objetivo es que toda la instalación comparta una misma referencia de potencial con el terreno y que exista una trayectoria continua, de baja impedancia, por donde la corriente de falla pueda regresar a su fuente. Cuando ese camino existe y es de baja resistencia, la corriente de falla es alta, la protección lo detecta y dispara en milisegundos. Cuando ese camino es malo, la corriente de falla se limita, la protección no la ve como falla, y el voltaje peligroso se queda donde no debería.
Para qué sirve: cinco funciones, no una
Se suele resumir el sistema de tierras como "seguridad", pero cumple varias funciones distintas que conviene separar porque cada una se diseña diferente:
- Seguridad de las personas. Ante una falla que energiza una carcasa o estructura metálica, la tierra mantiene esa parte a un potencial cercano al del piso y limita el voltaje de contacto y de paso, de modo que un operador que la toque no reciba una descarga peligrosa.
- Trayectoria para la corriente de falla. Da un camino de baja impedancia para que la corriente de falla regrese a la fuente y haga operar la protección — fusible, interruptor o relevador. Sin ese camino, la protección no dispara y la falla persiste.
- Referencia de potencial. Establece el cero de voltaje del sistema, estabiliza el potencial respecto a tierra y limita las sobretensiones que aparecen por maniobras o por fallas entre fases y tierra.
- Protección contra descargas atmosféricas. Da a la corriente de un rayo un camino controlado al terreno, protegiendo estructura, equipo y personas. Esta función trabaja junto con el sistema de protección contra descargas atmosféricas (pararrayos) pero se sostiene sobre la red de tierras.
- Referencia limpia para electrónica y control. PLCs, variadores, instrumentación y sistemas de control necesitan una referencia de tierra estable y sin ruido para operar de forma confiable. Una tierra ruidosa se traduce en errores intermitentes difíciles de rastrear.
Qué pide la normativa (NOM-001-SEDE)
En México, la puesta a tierra de las instalaciones eléctricas está regulada por la NOM-001-SEDE, en sus artículos dedicados a puesta a tierra y unión (bonding). La norma define qué debe conectarse a tierra, cómo dimensionar los conductores del electrodo y de puesta a tierra de equipos, qué tipos de electrodos son aceptables y cómo deben unirse las distintas partes metálicas de la instalación para evitar diferencias de potencial peligrosas.
Sobre el valor de resistencia, conviene tener claras las cifras porque se prestan a confusión:
- El código pide del orden de 25 ohm o menos para un solo electrodo. Si un electrodo individual no alcanza ese valor, la norma exige agregar un segundo electrodo. Es un mínimo regulatorio, no una meta de ingeniería.
- La industria busca 5 ohm o menos. Para una planta con cargas importantes, equipo sensible y necesidad de que las protecciones operen con margen, 25 ohm es demasiado alto. El criterio práctico para instalación industrial es 5 ohm o menos.
- Subestaciones y equipo crítico buscan 1 ohm o menos. En subestaciones, salas de cómputo, electrónica de proceso fina y sistemas donde el voltaje de paso y de contacto debe ser muy controlado, el objetivo baja a 1 ohm o menos.
Más allá del número de resistencia, la NOM-001-SEDE pone igual o más peso en la continuidad y la unión: que todas las partes metálicas estén efectivamente conectadas entre sí y al sistema de tierras. Una resistencia de electrodo excelente no sirve de nada si la carcasa del motor no está unida a la red de tierra.
Cumplir los 25 ohm de la norma no significa que tu sistema de tierras esté bien diseñado para tu planta. La norma fija un mínimo de seguridad; la ingeniería fija el objetivo real según las cargas, el equipo sensible y el nivel de cortocircuito del sitio. Para industria, el número de trabajo es 5 ohm o menos, y para subestación, 1 ohm o menos.
Tipos de sistemas de tierra
Red de electrodos de varilla
La configuración más común en planta industrial: una o varias varillas de cobre o acero recubierto de cobre, enterradas y unidas entre sí por un conductor de cobre desnudo. Cuando una sola varilla no alcanza la resistencia objetivo, se agregan varillas adicionales separadas al menos su propia longitud y se interconectan, o se forma un anillo perimetral alrededor de la nave o del equipo.
Malla de tierra en subestación
En subestaciones se usa una malla: una retícula de conductores de cobre enterrada bajo toda el área, complementada con varillas en los nodos. La malla no busca solo baja resistencia, sino controlar los voltajes de paso y de contacto en toda la superficie donde camina el personal, de modo que en una falla la diferencia de potencial entre dos puntos del piso o entre el piso y un equipo se mantenga dentro de límites seguros. El diseño de la malla se calcula con la resistividad del terreno y la corriente de falla del sitio.
Esa malla cobra especial importancia cuando hay generación propia en media tensión. Para una fábrica del norte de México levantamos una central de respaldo de 4 MW (2 × 2 MW) con los equipos acoplados directamente en 13.8 kV, y el sistema de tierras de esa área se calculó para controlar los voltajes de paso y contacto con la corriente de falla que aporta la propia generación, como se describe en este caso de respaldo en media tensión para una planta industrial.
Tierra física de seguridad y tierra aislada para electrónica
Conviene distinguir dos conceptos que a veces se confunden. La tierra física de seguridad es la que conecta carcasas, estructuras y equipos para proteger a las personas y dar trayectoria a la corriente de falla; es robusta y a ella se conecta toda la instalación. La tierra aislada es un conductor de tierra dedicado que se lleva limpio hasta la electrónica sensible para darle una referencia sin el ruido que circula por la tierra de seguridad. Ambas se unen en un solo punto del sistema — nunca forman sistemas separados y flotantes, porque eso crea diferencias de potencial peligrosas — pero su recorrido se separa para que el ruido de las cargas de potencia no contamine la referencia de la electrónica.
Cómo se mide el sistema de tierras
La medición es lo que separa un sistema de tierras que se supone bueno de uno que se sabe bueno. Hay dos mediciones distintas y complementarias.
Método de caída de potencial de 3 puntos
Es el método estándar para medir la resistencia de un electrodo o de la red de tierra, y se hace con un telurómetro. Se inyecta una corriente conocida entre el electrodo bajo prueba y un electrodo auxiliar de corriente clavado a cierta distancia, y se mide la caída de tensión con un tercer electrodo de potencial que se desplaza a lo largo de la línea entre ambos. El valor correcto se lee en la zona donde la lectura se estabiliza, típicamente alrededor del 62% de la distancia hacia el electrodo de corriente, lejos de la influencia del electrodo bajo prueba. Para que la lectura sea válida, las distancias deben ser suficientes; en mallas grandes esto exige tendidos de varias decenas de metros.
Medición de resistividad del terreno
Antes de diseñar o de explicar por qué un sistema no baja de cierto valor, se mide la resistividad del terreno, normalmente con el método de Wenner de cuatro electrodos. La resistividad — en ohm-metro — depende del tipo de suelo, la humedad, la temperatura y la compactación, y es el dato base para calcular cuántos electrodos o qué malla se necesitan para alcanzar el objetivo. Un terreno arcilloso húmedo puede estar en decenas de ohm-metro; uno rocoso o muy seco, en miles. Esa diferencia explica por qué dos plantas con el mismo diseño de electrodos terminan con resistencias totalmente distintas.
Cada cuándo medir
La recomendación es medir la resistencia del sistema de tierras al menos una vez al año, y siempre después de modificaciones a la instalación, ampliaciones de carga, una falla importante o trabajos de obra que hayan podido afectar electrodos o conexiones enterradas. La medición anual es lo que detecta a tiempo la degradación que de otro modo solo se descubre el día de una falla. La coordinación de protecciones depende directamente de que la tierra siga teniendo la resistencia que se supuso en el estudio; si quieres profundizar en ese vínculo, lo abordamos en coordinación de protecciones eléctricas.
Problemas comunes
Cuando un sistema de tierras no da el número, casi siempre es por una de estas causas:
- Terreno de alta resistividad. Suelos rocosos, arenosos o muy secos hacen difícil bajar la resistencia con electrodos convencionales. Es una limitación física del sitio, no un error de instalación, y se resuelve con diseño, no insistiendo con más de lo mismo.
- Corrosión de conexiones. Las uniones enterradas entre conductor y electrodo, especialmente las mecánicas y las hechas con metales distintos, se corroen con los años. La corrosión aumenta la resistencia de contacto y, en casos avanzados, abre el circuito sin que nada lo indique en superficie.
- Conexiones flojas. Tornillería de la barra de tierra, conexiones a carcasas y empalmes que se aflojan por vibración o por ciclos térmicos. Una conexión floja puede medir bien con el sistema descargado y comportarse como circuito abierto cuando pasa la corriente de falla.
- Falta de mantenimiento. Es la causa de fondo de casi todas las anteriores. Un sistema que se instaló a 5 ohm y nunca se volvió a medir puede estar hoy en 30 o 40 ohm sin que nadie lo sepa. La degradación es lenta, silenciosa y acumulativa.
Cómo mejorar el sistema
Cuando la medición revela una resistencia por encima del objetivo, hay varias rutas según la causa y el terreno:
- Más electrodos. Agregar varillas adicionales, separadas adecuadamente e interconectadas, o cerrar un anillo perimetral. Es la primera medida cuando el terreno lo permite. Conviene recordar que la mejora no es lineal: duplicar electrodos no divide la resistencia a la mitad, por eso el diseño parte de la resistividad medida.
- Tratamiento del terreno. En suelos de alta resistividad se usan compuestos que mejoran la conducción alrededor del electrodo: materiales de mejora del terreno (GEM) o bentonita. Reducen la resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo y la mantienen estable aun cuando el terreno se seca.
- Mallas. Donde se requiere control de voltajes de paso y de contacto, o donde el objetivo es muy bajo, se pasa de electrodos aislados a una malla de tierra calculada para el sitio. Es la solución de subestación y de áreas críticas.
- Corrección de conexiones. A veces el problema no es el electrodo sino las uniones. Reemplazar conexiones corroídas por uniones soldadas exotérmicas, reapretar barras y verificar continuidad de equipos puede recuperar buena parte del desempeño sin obra mayor.
El sistema de tierras no es obra civil que ya quedó: es un activo de seguridad cuyo desempeño se degrada en silencio y que solo se conoce midiéndolo. Cumplir los 25 ohm de la norma es el piso, no la meta — para industria el objetivo es 5 ohm o menos, y para subestación, 1 ohm o menos. Una medición anual con telurómetro, conexiones en buen estado y un diseño que parta de la resistividad real del terreno son la diferencia entre una planta donde las protecciones operan como se supone y una donde la corriente de falla no encuentra el camino el día que más importa. Ese día se parece mucho al que describimos en apagones en la manufactura de electrodomésticos, donde un microcorte detiene toda la línea.