Sistemas de Puesta A Tierra

Diseño y cálculo de mallas a tierra y protecciones SEMANA 9

sistemas de puesta a tierra Fundamentos teóricos

Diseño de una puesta a tierra

La puesta a tierra Las puesta a tierra son un importante componente de todo sistema eléctrico de alimentación debido a su gran influencia en la estabilidad de la red, como en la seguridad de los usuarios de esta. Su correcto estudio y dimensionamiento, constituye una preocupación dentro del desarrollo de cualquier proyecto eléctrico por lo que se hace necesario contar con profesionales dedicados a estudiar este tema en profundidad suficiente y con el grado de ingeniería conveniente. Un sistema de puesta a tierra debe presentar el menor valor de resistencia posible, frente a la circulación de una corriente de falla. Esta resistencia es ofrecida, en esencia por las características que tiene el terreno en la proximidad del lugar en donde se instala la puesta a tierra. Debido a esto, dentro del diseño de una puesta a tierra es de suma importancia poder conocer la forma en como el suelo participa en el fenómeno de conducción de la corriente eléctrica.

Diseño de una puesta a tierra El diseño de una puesta a tierra debe guiarse por: •Cumplimiento de normas sobre la materia. •La aplicación de las bases teóricas de cálculo. •Las características eléctricas de operación normal y bajo condiciones de falla en el punto del sistema eléctrico en que se construirá. •Las características geoeléctricas del terreno donde se construirá.

Normas aplicables En el país no hay normas específicas sobre el tema. Las disposiciones vigentes están contenidas en tres normas de la SEC. •NCh4/2003 – Sección 10 •NSEG 5 En 71 – Capítulo III (*) •NSEG 20 En 78 – Sección 10 (*) Gran parte de las disposiciones de la norma están obsoletas y, eventualmente pueden ser contradictorias con las otras dos normas; en tal caso priman las normas NCh4/2003 y NSEG 20.

Disposiciones de la norma NCh4 La norma en su numeral 10.1.6 establece unas disposiciones definidas para instalaciones de consumo, éstas se han aplicado a sistemas de distribución.

•Una red de distribución debe tener su puesta a tierra de servicio en una serie de puesta a tierra individuales, separadas unas de otras a no más de 200 (m) y, además, en cada cola de línea debe existir una puesta a tierra. •La resistencia combinada de todas las puestas a tierra resultantes de la aplicación del criterio anterior debe ser menor o igual a 5(Ω).

Disposiciones de la norma NCh4 •

La primera de estas puestas a tierra debe estar en las proximidades de la subestación, pero no debe utilizarse para estos fines una conexión a la puesta a tierra de protección del transformador de la subestación.

•

Se debe entender que esta primera puesta a tierra de servicio debe estar fuera de la zona de influencia de la puesta a tierra de protección del transformador, distancia que debe ser calculada, pero en una importante proporción de los casos basta con instalarla en el primer poste contiguo a la subestación, asumiendo una distancia entre ellos del orden de 40 (m).

Disposiciones de la norma NCh4

Objetivos de un sistema de puesta a tierra

Requisitos de una puesta a tierra a)

Requisitos de Proyecto:

•

Obtener como máximo un cierto valor preestablecido de la resistencia a tierra

•

Obtener como máximo valor un cierto valor preestablecido de la impedancia al impulso de la puesta a tierra

•

Dimensionar la puesta a tierra de modo de cumplir con el objetivo de seguridad para las personas

•

Considerar las acciones necesarias para evitar riesgos de daños a los equipos

b) Requisitos de diseño: •

Los diferentes elementos constituyentes de la puesta a tierra deberán deberán poder conducir las corrientes residuales, durante el tiempo máximo posible, sin sobrecalentamiento de sus partes

•

Los elementos constituyentes de la puesta a tierra deberán soportar sin deterioro los esfuerzos mecánicos a que puedan quedar sometidos durante las faenas de su construcción u otras faenas contemporáneas

Requisitos de una puesta a tierra •

Deberá ser resistente al eventual ataque corrosivo del terreno y atmosfera

•

No se usarán en la puesta a tierra elementos materiales que pudieran producir una corrosión galvánica entre otros elementos metálicos enterrados e interconectados con la puesta a tierra, por ejemplo, tuberías, bases de estructuras, anclajes de estructuras de líneas aterrizadas, etc.

•

Deberán sobredimensionarse y/o protegerse los conductores de conexión a la puesta a tierra de la temperatura que puedan adquirir

•

En zonas de emanaciones de gases inflamables deberá evitarse posibles arcos eléctricos entre partes metálicas y el suelo

Corriente máxima aceptada por el cuerpo humano Dalziel y Lee entre 1969 y 1972 determinaron el valor límite para la corriente de fibrilación a frecuencia industrial con una probabilidad de 0.5% función del tiempo por:

Ifv 

116 t

mA

I fv 

157 t

mA

Persona de 50 Kg

Persona de 70 Kg

validas entre 0.8 mA y 60A. Ifv es usado para dimensionamiento de las puestas a tierra.

Factores introducidos por C.E.I Trayecto de la corriente

Factor

Mano a pie Mano izquierda a mano derecha Mano derecha a pie

1 0.4 0.8

Espalda a mano derecha Espalda a mano izquierda Pecho mano derecha

0.3 0.7 1.3

Voltaje de contacto y de paso Las labores que habitualmente desarrolla un persona en una instalación de alta tensión, implica las siguientes formas normales posibles de exposición a la corriente: 1)Circulación de corriente entre pies 2)Circulación de corriente entre una mano y ambos pies 3)Circulación de corriente entre ambas manos

Situaciones básicas de shock eléctrico

Situaciones frecuentes La magnitud de la corriente I por el cuerpo humano está limitada principalmente por su por su propia resistencia Rh y las resistencias de contacto entre los pies y el terreno Rp. Los valores de resistencia del cuerpo humano varían entre 500 Ω y algunos miles de Ω. La resistencia de contacto entre el pie y el terreno se determina en forma aproximada, considerando el pie como una plancha circular de radio 8 cm. Resulta así un resistencia de contacto Rp=3*ρ, ρ corresponde a la resistividad del terreno (Ω*m) del terreno en contacto con el pie.

Para dimensionamiento de la puesta a tierra se acostumbra a tomar como valor típico 1000 Ω

Cálculo de voltajes de contacto y paso

Vc: Voltajes máximos admisibles de contacto entre manos y pies Vp: Voltaje de paso entre los pies

Modificación de los voltajes tolerables por la capa superficial Las ecuaciones anteriores han sido deducidas basados en la suposición de una resistividad homogénea del terreno. Sin embargo a menudo es dispersada sobre el terreno , encima de la malla una capa de gravilla de 10 a 20 cm de espesor, con el objetivo de incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies y mejorar la superficie para e movimiento de equipos y vehículos en la instalación. Esta nueva capa provoca una no uniformidad en el terreno en el sentido vertical. Donde: ρs: resistividad de la capa superficial de la gravilla Cs: Factor de reducción de potenciales debido a la capa superficial Cs=1 ; para resistividad superficial igual al terreno

Modificación de los voltajes tolerables por la capa superficial Capa superficial de 10 a 15 cm de espesor de resistividad ρ s Voltaje de contacto:

VCmax  (1000  1,5  C s   s ) 

0,157 t

Voltaje de paso:

VPmax  (1000  6  C s   s ) 

0,157 t

Cs = 1 para resistividad superficial igual al terreno De otra forma: Expresión aproximada con error de 5 %

    0,09   1     S   Cs  1  2  hS  0,09

Voltaje entre las manos

Vmm 

157 t

hs: espesor de la capa superficial del terreno

Valores típicos de resistividad superficial de pisos ρs (Ω-m) Capa de grava limpia 10 – 15 cm, tamaño ½” Hormigones muy secos

3000 50000

Hormigones en terreno normal

200

Hormigones saturados de humedad

100

Asfalto

3 000

Resistividad y resistencia de puesta a tierra Existen dos parámetros importantes a la hora de diseñar o realizar mantenimiento de un sistema de puesta a tierra: Resistividad del suelo y resistencia del sistema de puesta a tierra (electrodo, malla, etc.) La medición de la resistividad es útil para los siguientes propósitos: •Estimación de la resistencia de puesta a tierra de una estructura o un sistema •Estimación de gradientes de potencial incluyendo voltajes de paso (o toque) y de contacto •Cálculo del acoplamiento inductivo entre circuitos de potencia y comunicaciones cercanos •Diseño de sistemas de protección catódica La medición de la resistencia o impedancia de puesta a tierra así como los gradientes de potencial en la superficie de la tierra es necesaria por diferentes razones : •Determinar la resistencia actual de las conexiones a tierra •Verificar la necesidad de un nuevo SPT •Determinar cambios en el SPT actual. Se verifica si es posible o no incorporar nuevos equipos o utilizar el mismo SPT para protección contra descargas atmosféricas y otros •Determinar los valores de voltaje de contacto y de paso y su posible aumento que resulta de una corriente de falla en el sistema •Diseñar protecciones para el personal y los circuitos de potencia y comunicación

Resistividad y resistencia de puesta a tierra

Valores de resistencia recomendados Los valores de resistencia recomendados por el std IEEE 142-1991 son los siguientes: •Para grandes subestaciones, líneas de transmisión y estaciones de generación 1 Ω •Para subestaciones de plantas industriales, edificios y grandes instalaciones comerciales 1-5 Ω •Para un electrodo simple 25 Ω