Tensiones de Paso y Contacto

Medida de las tensiones de paso y contacto Andrés Granero

Tensión de paso y contacto. Conceptos.

Frecuentemente se piensa que cualquier objeto metálico puesto a tierra puede ser tocado sin peligro. Este error de concepto ha dado lugar a graves accidentes desde los primeros tiempos de la Electrotecnia. Es necesario tener en cuenta el valor de la resistencia de puesta a tierra y, además, la intensidad que fluye al terreno. Aún en el caso de puestas a tierra bastantes "seguras" (poca impedancia) pueden aparecer tensiones peligrosas en la instalación. Cuanto mayor sea el producto RPAT · IPAT tendremos gradientes de tensión más elevados en las proximidades del sistema de puesta a tierra. Si no se toman las precauciones oportunas en el proyecto de cualquier instalación eléctrica, los gradientes de tensión en la superficie del terreno que aparecen en caso de defecto a tierra, pueden ser peligrosos para las personas próximas. Además, pueden aparecer tensiones elevadas en equipos o estructuras que estén puestos a tierra. Los factores que intervienen en estas condiciones de peligro son:

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1 Elevada magnitud de la corriente de falta en relación al área ocupada por el sistema de puesta a tierra. 2. Resistencia de puesta a tierra del sistema insuficientemente baja. 3. Resistividad del suelo y distribución de las corrientes de paso a tierra tales que permitan la aparición de gradientes de tensión importantes en la superficie del terreno. 4. Presencia de un individuo en el lugar, instante y posición tales que esté en contacto con puntos a diferentes potencial . 5. Duración de la falta durante un tiempo suficiente para causar daño a las personas. Es difícil la coincidencia de todos los factores anteriores, por lo que a veces se admiten ciertas reducciones en los proyectos de sistemas de P. a T. para no tener en cuenta la simultaneidad de todas las circunstancias desfavorables.

Figura 1: Derivación de la intensidad de defecto a través del sistema de puesta a tierra de una Subestación Tensión de paso y contacto. Definiciones: Up (Tensión de paso): Es la fracción de la tensión de puesta a tierra que puede ser puenteada por una persona entre los dos pies, considerando un paso de 1 metro de longitud.

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Figura 2: Definición de tensión de paso Up y tensión de paso aplicada Upa

Uc (Tensión de contacto): Es la fracción de la tensión de puesta a tierra que puede ser puenteada por una persona entre la mano y el pie (considerando una distancia de 1 metro), o entre ambas manos.

Figura 3: Definición de Tensión de contacto Uc y tensión de contacto aplicada Uca

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Leyenda de las figuras 2 y 3: Uca.- Tensión de contacto aplicada admisible, la tensión a la que puede estar sometido el cuerpo humano entre una mano y los pies. Upa.- Tensión de paso aplicada admisible, la tensión a la que puede estar sometido el cuerpo humano entre los dos pies. (Upa = 10 Uca). ZB.- Impedancia del cuerpo humano. Se considerará un valor de 1000 Ω. IB.- Corriente que fluye a través del cuerpo; Uc.- Tensión de contacto máxima admisible en la instalación que garantiza la seguridad de las personas, considerando resistencias adicionales (por ejemplo, resistencia a tierra del punto de contacto, calzado, presencia de superficies de material aislante). Up.- Tensión de paso máxima admisible en la instalación que garantiza la seguridad de las personas, considerando resistencias adicionales (por ejemplo, resistencia a tierra del punto de contacto, calzado, presencia de superficies de material aislante). Ra.- Resistencia adicional total suma de las resistencias adicionales individuales. Ra1.- Es, por ejemplo, la resistencia equivalente del calzado de un pie cuya suela sea aislante. Se puede emplear como valor 2000 Ω. Se considerará nula esta resistencia cuando las personas puedan estar descalzas, en instalaciones situadas en lugares tales como jardines, piscinas, campings, y áreas recreativas. Ra2.- Resistencia a tierra del punto de contacto con el terreno de un pie. Ra2=3ρs, donde ρs es la resistividad del suelo cerca de la superficie. U0 (Tensión transferida): Es un caso particular de la tensión de contacto, donde una de las tensiones es transferida al exterior de la subestación (a través de algún conducto metálico). Aspectos reglamentarios Se expone en lo que sigue aquellos aspectos de la reglamentación española (RAT- ITC 13) que, por su importancia, consideramos de interés comentarlos. La letra en cursiva se aplica en aquellas partes del texto que responden literalmente a la Instrucción Técnica Reglamentaria 13 del Reglamento (español) de Alta tensión (ITC 13 – RAT) Tensiones máximas aplicables al cuerpo humano. Dice el RAT - ITC 13 apartado 1.1: Cuando se produce una falta a tierra, partes de la instalación se pueden poner en tensión, y en el caso de que una persona estuviese tocándolas, podría circular a través de él una corriente peligrosa. La norma IEC/TS 60479-1 da indicaciones sobre los efectos de la corriente que pasa a través del cuerpo humano en función de su magnitud y duración, estableciendo una relación entre los valores admisibles de la corriente que puede circular a través del cuerpo humano y su duración. “Los valores admisibles de la tensión de contacto aplicada, Uca, a la que puede estar sometido el cuerpo humano entre la mano y los pies, en función de la duración de la corriente de falta, se dan en la figura 1”.

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Figura 4: Valores admisibles de la tensión de contacto aplicada Uca en función de la duración de la corriente de falta (Figura 1/ ITC 13 – RAT) En la tabla 1 se muestran valores de algunos de los puntos de la curva anterior:

Esta curva ha sido determinada considerando las siguientes hipótesis: a. La corriente circula entre la mano y los pies. b. Únicamente se ha considerado la propia impedancia del cuerpo humano, no considerándose resistencias adicionales como la resistencia a tierra del punto de contacto con el terreno, la resistencia del calzado o la presencia de empuñaduras aislantes, etc. c. La impedancia del cuerpo humano utilizada tiene un 50% de probabilidad de que su valor sea menor o igual al considerado. d. Una probabilidad de fibrilación ventricular del 5%. Los valores admisibles de la tensión de paso aplicada entre los dos pies de una persona, considerando únicamente la propia impedancia del cuerpo humano sin resistencias adicionales

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como las de contacto con el terreno o las del calzado se define como diez veces el valor admisible de la tensión de contacto aplicada, (Upa = 10 Uca). Estas hipótesis establecen una óptima seguridad para las personas debido a la baja probabilidad de que simultáneamente se produzca una falta a tierra y la persona o animal esté tocando un componente conductor de la instalación. Salvo casos excepcionales justificados, no se considerarán tiempos de duración de la corriente de falta inferiores a 0,1 segundos En la generalidad de las instalaciones de A.T. dotadas de interruptores automáticos y relés de protección indirectos el tiempo de 0,1 seg. está justificado por lo que las tensiones de contacto aplicadas admisibles alcanzan los 633 Voltios. Tiempo = T relé + T interruptor. T relé entre 10 - 20 msg. (unidades instantáneas). T interruptor = entre 40 - 60 msg. (aparatos "modernos"). Es importante reseñar que las tensiones de contacto aplicadas que se obtienen de la Tabla 1 anterior se refieren al valor de la tensión que resultaría APLICADA al individuo durante un fallo en la instalación y esta tensión es siempre menor que la que aparece sobre el terreno, por eso para efectos de cálculo y proyecto habrá que estimar los valores de Vc y Vp más elevados que resultarán admisibles en el terreno y que dependen de las características de la instalación. Mediciones de las tensiones de paso y contacto aplicadas El Director de Obra deberá verificar que las tensiones de paso y contacto aplicadas están dentro de los límites admitidos con un voltímetro de resistencia interna de mil ohmios. Los electrodos de medida para simulación de los pies deberán tener una superficie de 200 cm² cada uno y deberán ejercer sobre el suelo una fuerza mínima de 250 N cada uno. Los equipos de medición deberán tener la opción de medir tensiones de paso y contacto aplicadas, tanto para el caso de que la persona esté calzada o descalza, mediante la inserción de las resistencias correspondientes en el circuito en cada caso. Se emplearán fuentes de alimentación de potencia adecuada para simular el defecto, de forma que se evite que las medidas queden falseadas como consecuencia de corrientes vagabundas o parásitas circulantes por el terreno. Consecuentemente, y a menos que se emplee un método de ensayo que elimine el efecto de dichas corrientes parásitas la intensidad inyectada no será inferior a 50 A para centrales y subestaciones y 5 A para centros de transformación. Se admitirán, no obstante, medidores de tensiones de paso y contacto que inyecten una corriente inferior, siempre que se demuestre mediante ensayos comparativos que disponen de filtros o sistemas especiales capaces de eliminar las tensiones de perturbación con el fin de lograr medidas con una fiabilidad y exactitud equivalente a la que se obtendría con una inyección de corriente elevada. En cualquier caso la incertidumbre asociada a las medidas será inferior al 20 por ciento.

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Los cálculos para determinar las tensiones posibles máximas se harán suponiendo que existe proporcionalidad entre la corriente inyectada por el electrodo durante la medición, y la corriente drenada a tierra por el electrodo en caso de defecto. Para instalaciones de tercera categoría que respondan a configuraciones tipo, como es el caso de la mayoría de los centros de transformación, el Órgano territorial competente podrá admitir que se omita la realización de las anteriores mediciones, sustituyéndolas por la correspondiente a la resistencia de puesta a tierra, si se ha establecido la correlación, sancionada por la práctica, en situaciones análogas, entre tensiones de paso y contacto y resistencia de puesta a tierra. En cualquier caso a la hora de realizar el ensayo, la compañía suministradora de electricidad informará del valor de corriente de defecto a tierra y a partir de ese dato se establecerá el valor de la corriente de ensayo. Medidos los valores de Vpa y Vca a la corriente de ensayo (IE) procede calcular por extrapolación los valores de Vpa y Vca corriente de puesta a tierra IT de manera que:

Vc = Vc medida

IT I y Vp = Vp medida T IE IE

Técnica de medición Medida de las tensiones de paso y contacto. Como se indicó anteriormente, es preceptiva la medición de las tensiones de paso y de contacto en las inmediaciones de las instalaciones de p.a.t. a fin de asegurar que los valores posibles en caso de falta estén por debajo de aquellos considerados como peligrosos. Método de medición. a) Mediante, el empleo del equipo adecuado inyectar una corriente alterna entre el electrodo de tierra y un electrodo auxiliar (dispersor). b) El valor de corriente a inyectar será determinado siguiendo las disposiciones reglamentarias. c) El dispersor habrá que emplazarlo a una distancia tal que el reparto de corriente que parte del electrodo resulte regular. Este aspecto será preferible determinarlo por ensayo en la propia instalación. d) Con un voltímetro de resistencia interna de 1000 Ω medir en el interior y en el exterior del área protegida las tensiones presentes en el suelo a distancias de 1 m. y entre partes metálicas y el suelo a 1 m. de distancia. Como "puntas" de medida del voltímetro emplear dos pesas, cada una de 25 Kg. y 200 cm2 de superficie de contacto con el suelo. Obtención de valores. Los resultados obtenidos en el ensayo habrá que referirlos a las condiciones presentes durante un fallo a tierra en la instalación, para ello bastará aplicar la fórmula siguiente:

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Vpaso = Vmedida

Itierra Iensayo

Asimismo,

Vcontacto = Vmedida

Itierra Iensayo

Cuando se utilice el método de inversión de polaridad se tendrá en cuenta que: Para la tensión de paso medida: p.medida =

V pm 0 º ·V pm180 º

Para la tensión de contacto medida: c.medida =

2 V pm 0 º ·V pm180 º 2

Siendo Vpm 0º y Vcm 0º las tensiones de paso y contacto respectivamente inyectadas en un sentido y Vpm 180º y Vcm 180º las inyectadas en sentido contrario. A continuación se listan los valores de tensión máxima admisible entre mano y pie, tensión de contacto y entre pie y pie, tensión de paso, según el tiempo t (seg.) que tarde en despejarse el defecto de acuerdo con la tabla 1 de la ITC 13 del RAT:

Duración de la corriente de falta t = (s) 0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 1,00 2,00 5,00 10,00 > 10,00

Tensión de contacto aplicada admisible, Uca (V) 735 633 528 420 310 204 107 90 81 80 50

Tensión de paso aplicada admisible. Upa (V) 7350 6330 5280 4200 3100 2040 1070 900 810 800 500

Tabla 2: Valores admisibles de la tensión de contacto aplicada Uca y tensión de paso aplicada Upa en función de la duración de la corriente de falta tF Se comprende la facilidad que este ensayo puede entrañar riesgos para el personal operador y para las personas en general, si los valores de I son elevados, toda vez que, a priori, desconocemos si van a aparecer gradientes de potencial elevados. Las medidas deben realizarse por personal especializado y extremando las condiciones de seguridad. Es importante, delimitar la zona donde se efectúan las mediciones mediante cintas, carteles de señalización, señales luminosas si fuera necesario, etc. principalmente en los alrededores de los electrodos que se emplean como toma de tierra auxiliar, que puede estar constituida por varios electrodos de barra. Un equipo como el que se presenta a continuación de la casa C.E.E. (Continental de Equipos Eléctricos) puede estar constituido por dos partes:

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a) Módulo de alimentación. b) Unidad de medida. a) El módulo de alimentación conteniendo todos los órganos de alimentación, de ajuste y de medida montado sobre cuatro ruedas y provisto de cuatro tiradores para extracción con dispositivo de bloqueo. Sobre la parte trasera existe una puerta que se abre con llave permitiendo el acceso a los bornes de conexión para las sondas y las picas y está provista de un microinterruptor que impide el cierre del telerruptor general del módulo si la puerta está abierta. Dos orificios laterales permiten introducirlos conductores y operar con la puerta cerrada. La alimentación del conjunto se puede efectuar a partir de una red monofásica de220 V o bien de 380 V, 50 Hz. A este efecto, sobre el frontal del módulo se ha previsto un conmutador con posición cero inicial para la elección de la tensión de alimentación (figura 5). b) La Unidad de medida contenida en un rack 19" va alojada en un hueco del módulo de alimentación y conectada a sus circuitos mediante un conector accesible abriendo la puerta inferior del conjunto. Además de otros mandos e instrumentos indicadores (como se indica en la leyenda más detalladamente), sobre la unidad de medida existe un instrumento indicador digital para la medida de Vm, con indicación de polaridad (±), para una lectura más clara del valor de dicha tensión (figura 6).

Figura 5: Módulo de Alimentación del Equipo de comprobación de Vp y Vc de la casa C.E.E.

Figura 6: Unidad de medida del equipo de comprobación de Vm y Vc de la casa C.E.E.

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Figura 7: Conexiones del equipo para la verificación de la tensión de paso.

Figura 8: Conexiones del equipo para la verificación de la tensión de contacto.

Con carácter general se considera que las zonas más conflictivas de una instalación, considerando que es de mayor exigencia el cumplimiento de tensión de contacto, las siguientes: En subestaciones:

• • •

Los puntos que se presuma puedan ser conflictivos como pueden ser los cambios del tipo de piso del terreno (tapas de hierro, césped, falta de grava, etc.). Se medirán tensiones de paso en las zonas próximas al vallado, especialmente en las esquinas. Se entenderá como zona próxima, el área comprendida entre la valla y aproximadamente 5 metros, tanto en la parte interior como en la exterior. En el interior de los parques se realizarán, si se dispone de plano de la red de tierras enterrada, en las cuadriculas de mayores dimensiones, situando un electrodo

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•

aproximadamente sobre la vertical de un conductor y el otro a 1 metro en dirección al centro de la cuadrícula. En caso de que no se disponga del plano de la malla se realizarán a criterio del técnico que realice las pruebas.

En centros de transformación y en apoyos de líneas aéreas de MT (3ª categoría)

• • • • • •

A 1 m en dirección perpendicular a cada fachada. A 1 m en dirección a la prolongación de las diagonales en las esquinas A 1 m de las fachadas en sentido paralelo a las mismas. A 1 m de las esquinas (hacia la diagonal) en el sentido paralelo a las fachadas. Cinco mediciones en el interior repartidas por la superficie (CT). Una medición con un pie en el suelo interior del CT y otro en el terreno exterior.

Es conveniente que los electrodos de medición, hagan un buen contacto eléctrico con el terreno ya que en caso contrario, la caída de tensión por mal contacto, desvirtuaría ligeramente la medición. Para ello se recomienda humedecer el terreno en la zona a medir. Uno de los puntos de inyección de corriente será el propio electrodo de puesta a tierra. El otro punto de inyección, que llamaremos tierra auxiliar o contratierra, estará formado por un conjunto de picas enterradas, cuyo número; dependerá de las características del terreno, y deberá ser suficiente para permitir el paso de la intensidad de inyección. Esta contratierra, estará situada en un punto suficientemente alejado de la malla de tierra, como para considerar que ambas son tierras independientes. Esta distancia, para las subestaciones será generalmente de 2 ó 3 veces la dimensión máxima de la malla de tierra. Para los centros de transformación será como mínimo del orden de los 40 m (figura 9). Ejemplo de medida Datos de partida Nos encontramos en un Centro de Transformación alimentado desde una Subestación cercana a 25 kV y tensión máxima de línea 27,5 kV con reactancia limitadora de neutro de 20 Ω, el tiempo de actuación del relé instantáneo de defectos a tierra = 0,05 s, el tiempo de operación del relé reenganchador = 0,3 s, y el tiempo de actuación del interruptor automático = 0,05 s, el tiempo total de operación de despeje de falta, será = 0,05 + 0,05 + 0,3 + 0,05 + 0,05 = 0,5 s, siendo la resistencia de puesta a tierra del CT = 8,3 Ω. Para una duración de 0,5 s en despejar la falta, la Tabla 2 nos da unos valores máximos admisibles de las tensiones de contacto y paso en el CT de 204 V y 2040 V respectivamente. La tensión simple de la línea, será

= Y la corriente máxima de defecto: =

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27.500 √3

= 15.877

15.877 20 + 8,3

= 733

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Figura 9: Esquema de conexión del equipo de prueba

Figura 10: Esquema en planta del CT indicando los puntos de medida de las tensiones de paso y contacto

Tabla 3: Resultados obtenidos en las mediciones Los valores obtenidos en la Tabla 3 son inferiores en todos los puntos medidos que las tensiones admisibles indicadas en la Tabla 2, por lo que no será necesario realizar ninguna

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operación para disminuirlos, en caso contrario deberán tomarse algunas de las siguientes medidas para disminuir los valores de las tensiones de paso y contacto: •

Mejora de la resistencia de puesta a tierra de protección

•

Aumento de la resistividad superficial del terreno

•

Instalación de anillos difusores alrededor de la instalación

•

Conexión equipotencial de los elementos

•

Aislar los elementos que puedan tocarse

La aplicación de una o varias de estas posibles soluciones dependerá en gran medida de cual sea el punto donde se encuentre el potencial elevado, del tipo de instalación y el entorno en donde esté situado esta.

FUENTES: ITC RAT 13: Instalaciones de Puesta a Tierra (Reglamento de AT español) Andrés Granero: Medidas y vigilancia de los sistemas de puesta a tierra Unión Fenosa: Instalación de puesta a tierra (Unidad didáctica)

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