Puesta a Tierra

PRINCIPALES VARIABLES QUE JUEGAN PAPEL EN EL DISEÑO DE LAS PUESTAS A TIERRA.

- SEGURIDAD A PERSONAS • BUEN DESEMPEÑO (SEGÚN SU FUNCION) CARACTERISTICAS DEL SISTEMA: - CORRIENTE DE FALLA - TIERRA

- SEGURIDAD A EQUIPOS - REFERENCIA DE POTENCIAL - EMC

• RESISTIVIDAD • LIMITACIONES FISICAS (DIMENSIONES DEL AREA)

PRINCIPALES VARIABLES QUE JUEGAN PAPEL EN EL DISEÑO DE LAS PUESTAS A TIERRA.

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS EVITAR DIFERENCIAS DE TENSION PELIGROSAS (Tensiones de Toque y Paso)

Limitar Tensiones

Por medio de una Rpat pequeña Topología del Sistema a Diseñar

PRINCIPALES VARIABLES QUE JUEGAN PAPEL EN EL DISEÑO DE LAS PUESTAS A TIERRA.

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS -EFECTOS FISIOLOGICOS: (RANGOS TOLERABLES)

-1 FRECUENCIA: -2 MAGNITUD -3 DURACION

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS -EFECTOS FISIOLOGICOS: (RANGOS TOLERABLES) PERCEPCION , CONTRACCION MUSCULAR, INCONSCIENCIA, FIBRILACION CARDIACA BLOQUEO NERVIOSO Y QUEMADURAS

Corriente (mA)

15 20 30 100 500 1000

Tiempo para fibrilación (seg)

120 60 35 3 0.1 0.03

FORMULACION EMPIRICA

k IC = ts Donde: Ic: Máxima Corriente RMS (A) ts: Tiempo de Duración Corriente (seg) k: Constante de Energía con 99.5% de probabilidad de ser soportada

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS -Modelo Circuital del Cuerpo Humano, para análisis: Rc = 1000 Ω RPie =

ρ 4b

RM Pies =

ρ 2π d pies

b = 0.08 m (radio eq. Pie) d = 1 m (distancia entre pies) ρ = Resistividad primer estrato (Ω-m)

-1 VOLTAJE DE PASO

-2 VOLTAJE DE TOQUE

RCA = RC + 2( R pie − RM pie )

1 RT = RC + ( R pie + RM pie ) 2

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS Si existe Piedra picada en la S/E u otro material entre pies - suelo

-1 VOLTAJE DE PASO

-2 VOLTAJE DE TOQUE

RPs = 6.0 * C s (hs , K ) ρ s

R2 Pp = 1.5 C s (hs , K ) ρ s

hs = profundidad de la capa de piedra picada (m) K = Factor de reflexión = (ρ-ρs)/(ρ+ρs);

ρ = resistividad capa inferior (Ω-m) ρs = resistividad piedra picada (Ω-m)

  ∞ 1  Kn 1 + 2∑ Cs =  2 0.96  n =1  2nhs  1+     0.08  

EPaso 70Kg = (1000 + 6 ∗ Cs( hs , K ) ∗ ρ S ) ∗

      

0.157 ts Etoque 70Kg = (1000 + 1.5 ∗ CS ( hS , K ) ∗ ρ S ) ∗

0.157 tS

- SEGURIDAD A PERSONAS Y EQUIPOS Definición de “ts” (duración de la corriente de Falla – Tierra): 1.- Sistemas de Transmisión RADIALES: ts

I Falla1 I Falla2

Interruptor Malla

Corriente total a tierra = Ifalla (con las consideraciones de distribución de corriente) Tiempo “ts” = Tiempo asociado a la protección de respaldo

2.- Sistemas de Transmisión en ANILLO: ts1

I Falla1

I Falla2 ts2 I FallaT1,2 Malla

Corriente total a tierra : Para t < ts1 IFallaT1 Para ts1 < t < ts2 IFallaT2 Para ts2 < t 0 Peor Condición = IFallaT1 Tiempo “tseq” = Tiempo equivalente por energía, para IFallaT1

ts eq = ts1 + (

IFallaT 1 )2 (ts2 − ts1) IFallaT 1 + IFallaT 2

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) -Uno de los parámetros que mayor influencia tiene en lo que respecta el diseño de Sistemas de Puesta a Tierra, es la Resistividad. Esta característica define la facililidad o dificultad que posee el suelo para conducir corrientes, ante un campo eléctrico aplicado. -Los suelos como tal son malos conductores; sin embargo, cuando se habla de grandes volúmenes de tierra la situación cambia. Esto se realiza basándose en principios electroquímicos, los cuales dependen de: * Volumen de los poros del material que compone el terreno. * Disposición y distribución de los poros. * Porción de los poros relleno con agua. * Conductividad primaria: la del agua que entra en los poros. * Conductividad secundaria: la adquirida por disolución del material y que depende del estancamiento

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Tipo de Terreno Granulometría Estratografía Factores que Influyen en la Resistividad:

Compactación Humedad del suelo (estaciones) Temperatura Salinidad Otros……..

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Tipo de Terreno Tipo de terreno

Valores Típicos de la resistividad (Ω-m)

Terrenos vegetales húmedos

10 – 50

Arcillas, gravas, limos

20 – 60

Arenas arcillosas

80 – 200

Fangos, turbas

150 – 300

Arenas

250 – 500

Suelos pedregosos (poca vegetación)

300 – 400

Rocas

1000 – 10.000

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Granulometría: Se relaciona con el tamaño del grano que compone predominantemente el suelo y sus características higroscópicas (absorción) y de retención de agua. El efecto general de ésta en la resistividad, es: Grado de unión (Compactación)- Forma de cristales Tamaño del grano Volumen grano

Resistividad

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Estratografía: El suelo puede por diversas razones, variar su composición y estructura a lo largo del mismo, lo cual implica cambios transversales y longitudinales de la resistividad, en un mismo volumen de interés. (Anisotropía o grado de desorden)

Variación Vertical

Variación Horizontal

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Compactación: El grado de compactación altera el valor de resistividad, debido al grado de unión de los granos -Relación directa al almacenamiento de agua y -Relación inversa a intersticios de aire ρ (Ω-m)

Compactación (Kg/cm2)

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Humedad: El grado de humedad, tiene una incidencia muy IMPORTANTE en lo que respecta al valor y a la estabilidad de la resistividad

La humedad varía según la geografía, de forma considerable a lo largo del año, por lo que el diseño de un SPAT, debe considerar el peor escenario.

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Temperatura: La temperatura ambiente o en el entorno electrodo de PAT – suelo, tiene una influencia directa en lo que respecta a la resistividad y a la resistencia de contacto.

Variables importantes: Congelamiento Evaporación (superficial y de contacto)

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Salinidad: El contenido de sales produce una menor resistividad intergranular, lo cual permite circular corrientes con mayor facilidad y además, la sal (NACl) es un material que absorbe con facilidad la humedad (hogroscópico) al igual que el cemento y el carbón vegetal. ρ (Ω-m)

Sales (% Volumen)

ESTUDIO DE LAS CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL SUELO (RESISTIVIDAD) Otros factores del suelo que tienen una repercusión directa en lo que respecta al diseño de SPAT: Permitividad (ε ) Tiene repercusión directa en el comportamiento transitorio. Factor de Ionización (particular de cada tipo de suelo) Implica la ionización de suelo (Efecto corona) por la aplicación de una alta intensidad de campo eléctrico) PH Influye significativamente en la vida útil del SPAT por corrosión

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS MEDICION DE RESISTIVIDAD: (DIVERSOS METODOS)

Resistividad Aparente (Método de Wenner) – Simétrico:

ρ⋅I V3 = (1 / 2 a - 1 / a) 2⋅π

ρ⋅I V23 = V2 − V3 = 2⋅π⋅a

V23 ρ = 2⋅π⋅a ⋅ = 2⋅π⋅a⋅R I

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Análisis de las mediciones (ρa vs d)

UNIFORME ρa

BIESTRATO ρa

a

MULTIESTRATO ρa

a

a

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Monoestrato: En Caso de Terreno Uniforme, el valor de la resistividad, Es obtenido directamente de la medición (ρa) Biestrato: En este caso, debido a la interacción entre los dos estratos, la forma de obtener la caracterización matemática, es a partir de la siguiente formulación matemática, que se obtiene de suponer que los electrodos auxiliares son semiesferas: n= ∞

Kn Kn ρ a = ρ1 ⋅ [1 + 4 ∑ [ − ]] 2 1/ 2 2 1/ 2 (4 + (2 ⋅ n ⋅ h / a) ) n=1 (1 + (2 ⋅ n ⋅ h / a) )

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Donde: ρ1 = Resistividad primer estrato (Ω-m) K = Factor de Reflexion (ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1) n = Número de imágenes del modelo Solución: Aplicando método de optimización para ajuste de curva Por Ejemplo

Mínimos Cuadrados m

Función Objetivo:

Min

2 ( ρ a ρ m) ∑ i =1

Sujeto a: ρ1, ρ2 y h > 0

Incógnitas del modelo

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Modelo Multiestratificado La función cambia en virtud de que existen p estratos

Donde:

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Esta función es muy inestable matemáticamente, ya que no es fácil obtener una solución Única. La función posee (si se aplican técnicas de Minimización por puntos interiores), Múltiples mínimos locales. Para obtener los mejores resultados, no se deja p, como variable libre, sino que se impone como dato de entrada; es decir, se especifica la cantidad de estratos que se desea considerar en el modelo. El procedimiento matemático es idéntico al del caso Biestrato, pero con una función a evaluar mucho más compleja. m

Función Objetivo:

Min

∑ ( ρa - ρm)

2

i =1

Sujeto a: ρ1, ρ2,..ρp y h1, h2,..hp-1 > 0

Incógnitas del modelo

RESISTIVIDAD MODELOS MATEMATICOS Ejemplo : Mediciones de Campo a(m) a(m)

ρa (Ω-m)

1.5

20.7

3

13.2

4

11.2

6

9.40

10

7.20

16

6.9

25

7.8

32

8.8

40

9.7

50

10.5

Premisas básicas para el diseño de un sistema de puesta a tierra. Importancia del sitio (S/E´s, Telecom, BT) * Uso Principal: RPATobjetivo * Limitaciones de Espacio (Problemas para lograr RPATobjetivo) Equipos Principales (Por Operación) * Conexiones a equipos

Equipos Principales (Por Seguridad)

(Ubicación y Características)

“Bonding” (Equipos de Protección – Control) * Consideraciones Especiales (Arreglos No Convencionales)

Premisas básicas para el diseño de un sistema de puesta a tierra. Uso

RPATobjetivo (Ω)

Suebestación Eléctrica Mayor (Vn > 69 kV)

34.5 kV)