Embed Size (px)
Citation preview
CALCULO DE MALLA DE TIERRA EN SUB ESTACIONES ELECTRICAS
Función de un Sistema de Puesta a Tierra.
Como Protección a los Usuarios:
Contra los efectos de las descargas atmosféricas o de los cortocircuitos.
Derivando las corrientes de defecto a tierra sin que se generen tensiones peligrosas.
Como Protección de Equipos:
Facilitando una ruta de evacuación de baja impedancia para las corrientes que evite la presencia de sobre tensiones que dañarían a los equipos.
La puesta a tierra es la unión eléctrica directa sin fusibles ni protección alguna de parte del circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo, mediante una toma de tierra con un electrodo o grupo de electrodos enterrados en el suelo.
El electrodo de tierra es un conductor metálico o grupo de electrodos interconectados empotrados en el suelo y en contacto eléctrico con el mismo.
El conductor puesto a tierra es el conductor que conecta una parte de la instalación eléctrica, las partes conductoras accesibles o las masas metálicas ajenas a dicha instalación a un electrodo de tierra o que interconecta varios electrodos de tierra.
La tierra de referencia es aquella parte del terreno, en espacial sobre la superficie situado fuera del area de influencia del electrodo de tierra considerado, se asume que el potencial de la tierra de referencia es cero.
La tensión de puesta a tierra es la tensión que aparece entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia cuando un determinado valor de la corriente de tierra fluye a través del sistema de puesta a tierra.
El potencial superficial de tierra es la diferencia de potencial entre un punto X sobre la superficie del terreno y la tierra de referencia.
Los sistemas de puesta a tierra se diseñan de tal manera que se debe tomar en cuenta la cantidad máxima permisible tanto de tensión como de corriente que no dañaría al cuerpo humano, hay que recordar que el sistema de puesta a tierra debe proteger tanto a los equipos como a los usuarios, siendo estos últimos los de mayor importancia.
La siguiente tabla muestra una relación de la máxima duración de la corriente de falla que no crea daño permanente en el cuerpo humano, relacionada con el voltaje máximo permisible:
Duración de la corriente de falla en segundos
Maxima tensión soportada admisible en voltios
0,05 7500,10 6250,2 5250,3 4250,4 3000,5 2001,0 1002,0 905,0 8010 80
> 10 50
La figura siguiente muestra los componentes de una instalación de puesta a tierra:
La resistividad del terreno es aquella resistencia medida entre las caras opuestas de un cubo que tenga como arista 1 metro de longitud.
La tabla siguiente muestra los valores permisibles de resistividad del terreno:
La tabla siguiente muestra la resistividad del terreno dependiendo del tipo de electrodo a tierra de que se disponga:
Dos objetivos principales deben lograrse en el diseño de las mallas de tierra de las subestaciones bajo condiciones normales y de fallas:
a) Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas en la tierra sin exceder los límites de operación de los equipos.
b) Debe asegurar que una persona en la vecindad de este sistema no esté expuesto al peligro de choque eléctrico.
Entre los métodos de medición de resistencia mas utilizados internacionalmente están:
Método de la curva de caída de potencial. Método de la regla del 62%
En la mayoría de nuestras empresas eléctricas se han realizado diseños de mallas de tierra, violando varios aspectos importantes:
1. No se tiene en cuenta el análisis geológico del terreno como un aspecto importante para decidir la ubicación de la subestación y por consiguiente su malla de tierra.
2. Se han realizado diseños de mallas de tierra sin haber medido la resistividad del terreno.
3. Solamente establecen como parámetro rector de una malla de tierra el valor de su resistencia a tierra, no se tiene en cuenta las tensiones de paso y contacto que pueden aparecer en la malla cuando circula una corriente de falla a tierra, por lo que no se realizan mediciones de estos parámetros.
4. En ocasiones se realizan diseños ineficientes con espaciamientos entre conductores no adecuados, sin tener en cuenta los peligrosos potenciales de paso y contacto que puede ocasionar esto.
5. Se realizan diseños de mallas sin tener en cuenta la corriente de cortocircuito a tierra que se presenta en la subestación.
6. En ocasiones son colocados electrodos verticales tipo varilla a una separación menor que la longitud del electrodo, esto puede traer consigo la aparición de tensiones peligrosas en presencia de corrientes de falla.
Para dar solución a todos estos problemas detectados en estas normativas, se realiza una revisión de un grupo de bibliografías internacionales actuales y se confecciona una guía para el diseño de puestas a tierra en subestaciones de potencia:
Para el dimensionado de la malla de tierra de la subestación se tendrán en cuenta las siguientes prescripciones:
El dimensionado de la instalación de tierra es función de la intensidad que, en caso de fallo, circula a través de la parte afectada de la instalación de tierra y del tiempo de duración de la falla.
El dimensionado de las instalaciones se hará de forma que no se produzcan calentamientos que puedan deteriorar sus características o aflojar elementos desmontables.
Los electrodos y demás elementos metálicos llevarán las protecciones precisas para evitar corrosiones peligrosas durante la vida de la instalación.
Se tendrán en cuenta las variaciones posibles de las características del suelo en épocas secas y después de haber sufrido corrientes de fallo elevadas.
Al proyectar una instalación de puesta a tierra para una subestación, se seguirá el siguiente procedimiento:
a. Investigación de las características del suelo.b. Determinación de las corrientes máximas de puesta a tierra (1f a tierra) y el
tiempo máximo correspondiente de eliminación de la falla.c. Diseño preliminar de la instalación de tierra.d. Cálculo de la resistencia del sistema de puesta a tierra.e. Cálculo de las tensiones de paso en el exterior de la instalación.f. Cálculo de las tensiones de paso y contacto en el interior de la instalación.g. Comprobar que las tensiones de paso y contacto calculadas son inferiores
a las tensiones de paso y contacto admisibles.h. Investigación de las tensiones transferibles al exterior por tuberías, raíles,
vallas, conductores de neutro, blindaje de cables, circuitos de señalización y de los puntos especialmente peligrosos, y estudio de formas de eliminación o reducción.
i. Corrección y ajuste del diseño inicial estableciendo el definitivo.
Después de construida la instalación de tierra, se harán las comprobaciones y verificaciones precisas in situ, y se efectuarán los cambios necesarios que permitan alcanzar valores de tensión aplicada inferiores o iguales a los máximos admitidos.
Medición de la resistividad del terreno.
La medición de la resistividad del terreno es la razón más importante para los electricistas al diseñar sistemas de puesta a tierra. La resistividad es un factor determinante en el valor de resistencia a tierra que pueda tener un electrodo enterrado, puede determinar a que profundidad debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia bajo.
La resistividad puede variar ampliamente en terrenos que tengan las mismas características, su valor cambia con las estaciones. La misma es determinada grandemente por el contenido de electrolitos, el cual consiste de humedad, minerales y sales disueltas.
Un suelo seco tiene un alto valor de resistividad si no contiene sales solubles, la resistividad es también influenciada por la temperatura.
El método más utilizado por los electricistas para realizar las mediciones es el de Wenner.
Para la medición se disponen 4 electrodos en línea recta y equidistantes una distancia "a", simétricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, como se muestra posteriormente, el equipo de medida es un telurómetro de cuatro terminales, los electrodos externos son los de inyección de la corriente y los centrales los encargados de medir la caída de potencial (en función de la resistencia).
El valor obtenido con la medición es sustituido en la ecuación siguiente, obteniéndose un valor promedio de resistividad aparente a una profundidad equivalente a la distancia "a" entre los electrodos:
ρ= 4 πaR
1+2a
√(a2+4b2)−
a
√(a2+b2)
Donde:
: Distancia entre electrodos en metros
b : Profundidad del electrodo en metros
R : Valor de resistencia obtenido en la medición con el telurómetro
Si a > 20b la expresión anterior se puede aproximar a:
ρ=2πaR(conaenmetros)
Y
ρ=191.5aR(cona en pies)
En relación a este método, deben tenerse presente los siguientes aspectos:
La profundidad de sondeo es la comprendida entre la superficie del terreno y la profundidad a la cual la corriente se ha reducido a la mitad de su valor en la superficie, siendo esta profundidad de exploración aproximadamente de 0.75 x a
Elección de la profundidad de investigación:
Cuanta mayor extensión vaya a ocupar el electrodo de tierra, mayor será la profundidad de exploración del suelo de cuyas características depende el SPT.
Por otro lado, los potenciales en la superficie dependen principalmente de la resistividad de la capa superficial de terreno que se escoja, mientras que la resistencia de puesta a tierra no depende de ella.
Esquema para la medición de resistividad del terreno por el método de Wenner, con un telurómetro clásico de cuatro
terminales.
Criterios prácticos a tener en cuenta al medir la resistividad del terreno:
a. La profundidad de los electrodos no debe sobrepasar 30 cm.b. Es conveniente que se realicen mediciones en diferentes direcciones para
un mismo sondeo, por ejemplo de Norte a Sur y de Este a Oeste, debido a las características de anisotropía de los suelos.
c. Al elegir la profundidad de exploración no se recomiendan profundidades mayores a los 8 metros puesto que es muy difícil poder llegar con las tomas de tierra hasta esos niveles, esto implica separaciones interelectródicas hasta 11 metros.
d. No es conveniente que las mediciones se realicen donde existan tomas de tierra o tuberías, puesto que las mismas provocan que la corriente que se inyecta en el terreno tome otra trayectoria no deseada perturbando así el resultado.
e. Si se quiere conocer la resistividad existente en una puesta a tierra, es obligatorio realizar la medición en una zona cercana a la misma, con características similares y con la misma conformación geológica, a una separación igual o mayor a tres veces la separación de los electrodos.
f. Al realizar las mediciones en las diferentes direcciones (Norte-Sur)(Este-Oeste), los valores de resistencia obtenidos para cada separación entre electrodos a pueden ser promediados, no pueden ser promediados valores obtenidos con diferentes a
Con estos valores obtenidos se traza la curva de resistividad, por la cual se selecciona, a que profundidad deben ser enterrados los electrodos.
Cuando por los valores de la resistividad del terreno, de la corriente de puesta a tierra o del tiempo del eliminación de la falla, no sea posible técnicamente, o resulte económicamente no factible mantener los valores de las tensiones de paso y contacto dentro de los límites admisibles, deberá recurrirse al empleo de medidas adicionales de seguridad a fin de reducir los riesgos a las personas y los bienes.
Tales medidas podrán ser entre otras:
a. Hacer inaccesibles las zonas peligrosas.b. Disponer de suelos o pavimentos de elevada resistividad que aíslen
suficientemente de tierra las zonas de servicio peligrosas.c. Aislar todas las empuñaduras o mandos que hayan de ser tocados.d. Establecer conexiones equipotenciales entre la zona donde se realice el
servicio y todos los elementos conductores accesibles desde la misma.e. Aislar los conductores de tierra a su entrada en el terreno.
Se dispondrá el suficiente número de rótulos avisadores con instrucciones adecuadas en las zonas peligrosas y existirá a disposición del personal de servicio, medios de protección tales como calzado, guantes, banquetas o alfombras aislantes.
Un barraje es una pletina de cobre pre taladrada, con dimensiones y separación de pernos y huecos. Debe ser dimensionado de acuerdo con los requisitos inmediatos de aplicación y teniendo en consideración futuros
crecimientos, sus dimensiones mínimas son de 5 mm de espesor x 50 mm de ancho y longitud variable.
Es preferible pero no imprescindible que sea recubierto con níquel, si no lo es, debe limpiarse antes de unir los conectores. Deben utilizarse conectores certificados de compresión de dos huecos o soldadura exotérmica y debe ser aislada de su soporte, se recomienda una separación de 50 cm.
En las líneas de tierra deberán existir los suficientes puntos de puesta a tierra o como también se llaman barrajes equipotenciales, mediante estos barrajes es posible interconectar todas las puestas a tierra, esto permite un fácil acceso a las diferentes puestas a tierra lo que facilita los mantenimientos y las mediciones de resistencia y equipotencialidad.
Para la puesta a tierra se podrán utilizar en ciertos casos, previa justificación:
a. Las canalizaciones metálicas.b. Los blindajes de cables.c. Los elementos metálicos de las fundaciones, exceptuando las armaduras
pretensadas del hormigón.
Los conductores o bajantes empleados en las puestas a tierra cumplirán las siguientes prescripciones:
a. Tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán una elevada resistencia a la corrosión.
b. Su sección será tal, que la máxima corriente que circule por ellos en caso de defecto o de descarga atmosférica no lleve a estos conductores a una temperatura cercana a la de fusión, ni ponga en peligro sus empalmes y conexiones.
c. Podrán usarse como conductores de tierra las estructuras de acero de apoyo de los elementos de la instalación.
d. Deben instalarse procurando que su recorrido sea lo más corto posible.e. Se prohíbe que el bajante de tierra presente cambios bruscos de dirección,
teniendo en cuenta que el ángulo de curvatura no puede ser menor de 90 grados y tendrá un radio de curvatura no menor de 203 mm (8 pulgadas).
f. Se recomienda que sean conductores desnudos instalados al exterior de forma visible, en el caso de que fuese conveniente realizar la instalación cubierta, deberá serlo de forma que pueda comprobarse el mantenimiento de sus características.
Los empalmes y uniones deberán realizarse con medios de unión apropiados (grampas Ampact, soldadura exotérmica, etc.), que aseguren la permanencia de la unión y que no se experimenten calentamientos al paso de la corriente superiores a los del conductor, y estén protegidos contra la corrosión galvánica.
Para la medición de la resistividad del terreno y la resistencia de tierra será conveniente realizar las mediciones con el terreno seco, por lo menos a una semana después de la última lluvia.
Cuando la humedad del terreno varíe considerablemente de unas épocas del año a otras se tendrá en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra. Se utilizarán recubrimientos con gravilla en la subestación entre otras cosas como ayuda para conservar la humedad del suelo.
En la subestación se pondrán a tierra los siguientes elementos:
a. Los chasis y bastidores de aparatos de maniobra.b. Los envolventes de los conjuntos de armarios metálicos.c. Las puertas metálicas de los locales.d. Las vallas y cercas metálicas.e. Las columnas, soportes, etc.f. Las estructuras y armaduras metálicas de los edificios que contengan
instalaciones de alta tensión.g. Los blindajes metálicos de los cables.h. Las tuberías y conductos metálicos.i. Las carcasas de los transformadores.j. Los hilos de guarda o cables de tierra de las líneas aéreas.k. Los neutros de los transformadores.l. Los circuitos de baja tensión de los transformadores de medida.m. Los limitadores, descargadores, pararrayos, para eliminación de
sobretensiones o descargas atmosféricas.n. Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a
tierra.
Serán interconectadas todas las puestas a tierra de la subestación (puestas a tierra de servicio y protección), garantizando la equipotencialidad de la misma.
Las puestas a tierra de los dispositivos utilizados como descargadores de sobretensiones se conectará a la puesta a tierra del aparato o aparatos que protejan. Estas conexiones se realizarán procurando que su recorrido sea mínimo (para evitar tensiones inducidas en los bajantes de conexión) y sin cambios bruscos de dirección.
En los conjuntos protegidos por envolvente metálica deberá existir un conductor de tierra común para la puesta a tierra de la envolvente, dispuesta a lo largo de toda la aparamenta. La sección mínima de dicho conductor será de 35 mm2 de conductor cobre.
Las envolventes externas de cada celda se conectarán al conductor de tierra común, como asimismo se hará con todas las partes metálicas que no formen parte de un circuito principal o auxiliar que deban ser puestas a tierra.
A efectos de conexión a tierra de las armaduras internas, tabiques de separación de celdas, etc., se considera suficiente para la continuidad eléctrica, su conexión con tornillos o soldadura. Igualmente las puertas de compartimento de alta tensión deberán unirse a la envolvente de forma apropiada.
Las piezas metálicas de las partes extraíbles que están normalmente puestas a tierra, deben mantenerse puestas a tierra mientras el aislamiento entre los contactos de un mismo polo no sea superior, tanto a frecuencia
industrial como a onda de choque, al aislamiento de tierra o entre polos diferentes. Estas puestas a tierra deberán producirse automáticamente.
Los elementos metálicos de la construcción en edificaciones que alberguen instalaciones de alta tensión, deberán conectarse a tierra de acuerdo con las siguientes normas:
a) En los edificios de estructura metálica los elementos metálicos de la estructura deberán ser conectados a tierra. En estas construcciones, los restantes elementos metálicos como puertas, ventanas, escaleras, barandillas, tapas y registros, etc., así como las armaduras en edificios de hormigón armado, deberán ser puestos a tierra cuando pudieran ser accesibles y ponerse en tensión por causa de fallas o averías.
b) Cuando la construcción estuviera realizada con materiales, tales como hormigón en masa, ladrillo o mampostería, no es necesario conectar a tierra los elementos metálicos anteriormente citados, más que cuando pudieran ponerse en tensión por causa de defecto o averías, y además pudieran ser alcanzados por personas situadas en el exterior de los recintos de servicio eléctrico.
Los elementos metálicos que salen fuera del área de la subestación, tales como raíles y tuberías, deben estar conectados a la instalación de tierra general en varios puntos si su extensión es grande. Será necesario comprobar si estos elementos pueden transferir al exterior tensiones peligrosas, en cuyo caso deben adoptarse las medidas para evitarlo mediante juntas aislantes, u otras medidas si fuera necesario.
La cerca de la subestación se colocará a un metro hacia dentro del perímetro de la malla, para evitar tensiones de contacto peligrosas para una persona parada en la parte exterior de la subestación y tocando la cerca de la misma, la cerca se conectará a dicha malla en cada uno de sus vértices.
En subestaciones ya construidas donde la cerca de la subestación se encuentra separada de la malla, se garantizará lo siguiente:
1. Si la cerca esta construida de hormigón, se conectará la puerta de la subestación con la malla por dos lugares garantizando la equipotencialidad del lugar, esta conexión se realizará utilizando conductores de cobre o acero-cobre.
2. Si la cerca es metálica conjuntamente con la puerta se conectará también a la malla de la subestación por varios lugares.
Las subestaciones alimentadas en alta tensión por cables subterráneos provistos de envolventes conductoras (apantallado) unidas eléctricamente entre sí, se conectarán todas las tierras en una tierra general en los dos casos siguientes:
a) Cuando la alimentación en alta tensión forma parte de una red de cables subterráneos con envolventes conductoras, de suficiente conductividad.
b) Cuando la alimentación en alta tensión forma parte de una red mixta de líneas y cables subterráneos con envolventes conductoras, y en ella existen dos o más tramos de cable subterráneo con una longitud total mínima de 3 km con trazados diferentes y con una longitud cada uno de ellos de más de 1 km.
En las instalaciones conectadas a redes constituidas por cables subterráneos con envolventes conductoras de suficiente sección, se pueden utilizar como electrodos de tierra dichas envolventes, incluso sin la adición de otros electrodos de tierra.
Después de construida la malla serán comprobadas las tensiones de paso y contacto que pueden aparecer en la malla, garantizando que los valores medidos estén por debajo de los límites admisibles.
Para efectuar esto se utilizara un voltímetro de resistencia interna de 1000 Ω. 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, la fuerza de 250 Newton a que se alude puede obtenerse mediante pesos
2509.8
kg≡25kg
Se emplearán fuentes de alimentación de potencia adecuada para simular la falla, de forma que la intensidad empleada en el ensayo sea como mínimo el 1% de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación sin que sea inferior a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de transformación, con lo que se eliminan los defectos de las posibles tensiones 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, por ejemplo, método de inversión de la polaridad, se procurará que la intensidad inyectada sea del orden del 1 por 100 de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación y en cualquier caso no inferior a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de transformación.
Medidos los valores de tensión de paso (Vc) y contacto (Vp) a la corriente de ensayo (IE) se procede a calcular por extrapolación los valores de Vc y Vp a corriente de puesta a tierra IT.(corriente de falla a tierra para el cual ha sido diseñada la instalación).
Para realizar la medición de estas tensiones se seguirán los siguientes pasos:
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 la corriente a inyectar será determinado siguiendo las disposiciones reglamentarias.
c. El electrodo auxiliar 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 αrea protegida las tensiones presentes en el terreno a distancias de 1m y entre partes metálicas del voltímetro emplear dos pesos de 25 kg cada uno y 200 cm2 de superficie de contacto con el suelo también cada uno.
e. 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 expresión siguiente:
paso = contacto=
Cuando se utilice el método de inversión de polaridad se tendrá en cuenta
que:
Para la tensión de paso medida:
p.medida =
Para la tensión de contacto medida:
c.medida =
Siendo y las tensiones de paso y contacto respectivamente
inyectadas en un sentido y y las inyectadas en sentido contrario.
Se comprende la facilidad que este ensayo puede entrañar riesgos para el personal operador y para las personas en general, si los valores de corriente son elevados, y como 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.
Los sitios de medición deben tomarse al azar, tanto en la parte externa como interna y en tantos puntos como lo permita la instalación. Se deben dar prioridad a puntos ubicados en el perímetro de la malla, pues en estos sitios existe mayor probabilidad de tensiones altas, en especial los soportes metálicos, puertas metálicas de acceso, rejillas de ventilación accesibles a personas, carriles para el desplazamiento de transformadores y, en general, cualquier otro tipo de elemento que, en un momento dado, pueda estar en contacto con las personas, referenciando todos los lugares con una clara identificación.
Para instalaciones nuevas, sobre todo si son importantes, se recomienda efectuar las mediciones cuando ya esté montado todo el SPT y antes de proceder a la etapa de acabados asfálticos, de gravilla u otros.
Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior
Figura 2. Representación de medición de tensión de paso y contacto.
18) Las subestaciones después de ser construidas serás recubiertas en toda su área con una capa de gravilla de 10 a 15 cm otra opción pudiera ser recubrir la misma con una capa de hormigón de 10 cm, exceptuando las áreas donde se encuentran los transformadores de potencia y los desconectivos por alta y baja (interruptores o desconectivos portafusibles), las cuales serán recubiertas con una capa de gravilla con un espesor no menor de 10 a 15 cm.
19) Los electrodos verticales de neutros y pararrayos se vinculan a la malla de tierra y serán tenidos en cuenta al determinar el valor total del sistema de puesta a tierra.
20) La sección mínima de los conductores de tierra deberá ser determinada en función de la corriente máxima previsible de falla.
21) Si los cálculos basados en el diseño preliminar indican que pueden existir diferencias de potencial peligrosos dentro de la subestación, las siguientes posibles soluciones deben ser estudiados y aplicadas donde sea apropiado:
a. Disminución total de la resistencia de tierra: Una total disminución de la resistencia de tierra disminuirá el máximo GPR (máxima elevación de potencial en la red de una subestación con respecto a un punto distante que se asume que está al potencial de tierra remoto) y por tanto la máxima tensión transferida. La vía más efectiva para disminuir la resistencia de una malla de tierra es por un incremento del área ocupada por la malla. Pozos o varillas enterradas profundamente pueden ser usados si el área disponible es limitada y las varillas penetran capas de baja resistividad. Una disminución en la resistencia de la subestación puede o no disminuir apreciablemente los gradientes locales, dependiendo del método usado.
Otra manera efectiva y económica de controlar los gradientes es incrementar la densidad de varillas de tierra en el perímetro. Esta densidad puede ser decrementada hacia el centro de la malla.
Otro método para controlar los gradientes perimetrales y los potenciales de paso es enterrando dos o más conductores en paralelo alrededor del perímetro a profundidades sucesivamente mayores según la distancia de separación de la subestación. Otra metodología es variar el espaciamiento de los conductores colocando un espaciamiento menor de los conductores cercanos al perímetro de la malla.
b. Espaciamiento cercano de la malla: Con el empleo de espaciamientos de los conductores cercanos, la condición del plato continuo puede ser aprovechado más estrechamente. Potenciales peligrosos dentro de la subestación pueden por tanto ser eliminados a un costo. El problema en el perímetro puede ser más difícil, especialmente en pequeñas subestaciones donde la resistividad es alta. Sin embargo, es usualmente posible enterrar los conductores de tierra por fuera de la línea de la cerca para asegurar que los gradientes escarpados que surgen inmediatamente fuera del perímetro de la malla no contribuyan a mayores tensiones peligrosas de contacto.
c. Desviar una gran parte de la falla de corriente hacia otros caminos, conectando conductores de guarda en líneas de transmisión o
disminuyendo el valor de resistencia de la base de la torre en las proximidades de la subestación, parte de la corriente de la falla se desviará a partir de la malla. Sin embargo, en relación con lo último, debe ser valorado el efecto de los potenciales de falla cercanos a las bases de las torres.
d. Limitando la corriente de falla total: Si es factible, limitando la corriente total de la falla disminuirá el GPR y todos los gradientes en proporción. Sin embargo, otros factores harán normalmente esto impráctico. Además si es realizado a cuenta de un mayor tiempo de limpieza de la falla, el daño puede ser incrementado en lugar de disminuir.
e. Limitando el acceso a áreas limitadas: Limitando el acceso a ciertas áreas se reducirá la probabilidad de daños al personal.
22) La profundidad de enterramiento de la malla se realizará a profundidades que oscilen entre 0.60 y 0.80 m.
23) Al margen de las necesidades específicas relativas a la resistividad del terreno y a las tensiones de paso y contacto, las retículas de la malla de tierra se podrán densificar mediante el agregado de ramas adicionales en las proximidades de las estructuras de retención de barras el hilo de guarda, los transformadores de medida y pararrayos.
24) Los bajantes para conexión a la malla deberán ser conectadas, con la mínima longitud posible, a dos de los lados de la retícula que rodean los pórticos y/o estructura soporte de equipo. Cada conexión se hará lo más cercana a los cruces de la malla. La sección de los cables de bajada deberá ser igual a la sección del cable de la malla de tierra.
25) Los pararrayos se conectarán a la malla de tierra de forma tal que las corrientes que drenen no afecten la zona de puesta de aparatos de señal (TC, TV, capacitores de acople).
26) Los canales interiores para cables llevarán un conductor de puesta a tierra similar al de los exteriores igualmente vinculado a la malla de puesta a tierra.
27) Los locales donde se instale equipamiento electrónico deberán estar provistos de un plano de tierra equipotencial, compuesto por una plancha de cobre continuo sobre todo el piso, con un espesor aproximado de 0.1 mm o cinta de cobre 100 x 1 mm en configuración mallada, dependiendo del número y posición de los aparatos, instalada por ejemplo bajo el falso piso. Dicho plano de tierra constituirá el colector de la puesta a tierra funcional y de seguridad, para todos los aparatos electrónicos instalados, de clase 2 kV.
El plano de tierra deberá ser conectado a una única toma de tierra que llegue a la malla de tierra mediante conexión de sección adecuada. Dicha conexión, si es de longitud superior a algunos metros, deberá ser de tipo blindado, debiendo ser dicho blindaje conectado a tierra, sólo del lado de la malla de tierra.
Las tierras de los aparatos deberán conectarse al mencionado plano de tierra equipotencial, en modo radial, cada una con conexión propia de mínima longitud.
Todos los aparatos no electrónicos (otras alimentaciones y servicios como la instalación de acondicionamiento de aire, etc.), deberán conectarse a la toma de tierra utilizando conexiones independientes de las anteriores.
28) Como metodología de cálculo de la malla para suelos uniformes se utilizará la propuesta por la IEEE Std-80 2000:
Constantes:
ρ : Resistividad aparente del terreno, Ω.m
I : Corriente de falla monofásica en el secundario, kA
Io : Corriente de falla monofásica a tierra en el primario, A
tc : Tiempo de despeje de la falla, s
KF : Constante para diferentes materiales a diferentes temperaturas de fusión Tm y una temperatura ambiente de 40 oC.
Variables:
hs : Grosor de la capa superficial, m
ρs : Resistividad aparente de la capa superficial, Ω.m
L1 : Largo de la malla, m
L2 : Ancho de la malla, m
h : Profundidad de enterramiento de la malla, m
Lc : Longitud total del conductor horizontal, m
Lv : Longitud de un electrodo tipo varilla, m
D : Espaciamiento entre conductores, m
N : Número de electrodos tipo varilla
Upaso tolerable : Tensión de paso tolerable, V
Ucontacto tolerable : Tensión de contacto tolerable, V
Ureticula : Tensión de la retícula en caso de falla, V
Upaso : Tensión de paso en caso de falla, V
A : Sección transversal del conductor, mm2
Cs : Coeficiente en función del terreno y la capa superficial
LT : Longitud total del conductor, m
A : Área disponible para construir la puesta a tierra, m2
Rg : Resistencia de puesta a tierra calculada, Ω
Km : Factor de espaciamiento para tensión de malla
Kii : Factor de corrección por ubicación de electrodos tipo varilla
Lp : Longitud del perímetro
Kh : Factor de corrección por la profundidad de enterramiento de la malla
n : Factor de geometría
Ki : Factor de corrección por geometría de la malla
Ks : Factor de espaciamiento para la tensión de paso
: Corriente admisible por el cuerpo humano
a) Conductor a utilizar:
Amm2 = mm2 (2)
b)Tensiones de paso y contacto máximas tolerables:
Para una persona de 70 kg:
(corriente admisible soportada por el cuerpo humano).
Upaso tolerable= (V) (3)
Ucontacto tolerable= (V) (4)
Donde:
Cs=1- (5)
c) Determinación de la configuración inicial:
Longitud del conductor LT = Lc+N * Lv (m) (6)
Donde Lc=( (m) para mallas cuadradas o rectangulares
Cálculo del área: A=L1*L2 (m2)
d) Cálculo de la resistencia de puesta a tierra Rg en ohmios:
Rg= (Ω) (7)
e) Cálculo del máximo potencial de tierra (GPR):
GPR = IG * Rg (V) donde IG=1,9 Io (A) (8)
Si GPR > Ucontacto tolerable se calculan las tensiones de malla y de paso en caso de falla; si GPR < Ucontacto tolerable , entonces el diseño ha concluido.
f) Cálculo de tensión de retícula en caso de falla:
Ureticula= (V) (9)
Donde: Km= (10)
Kii = 1 para mallas con electrodos de varilla a lo largo del perímetro, en las esquinas o dentro de la malla.
Kii = para mallas sin electrodos tipo varilla o con pocas varillas dentro de la malla.
Kh= y Ki = 0.644 + 0.148 * n
n = na*nb*nc donde: na= nb = nc=
Lp= (L1+L2)*2 (m) para mallas cuadradas o rectangulares.
Ureticula > Ucontacto, se debe cambiar la configuración de la malla; si Ureticula < Ucontacto se pasa a calcular la tensión de paso.
g) Cálculo de la tensión de paso en caso de falla:
Upaso= (V) (11)
Ks= (12)
Si Upaso> Upaso tolerable cambiar la configuración de la malla; si Upaso < Upaso tolerable el diseño ha terminado.
29) Se establece como valor máximo de resistencia de puesta a tierra a lograr con la malla de tierra diseñada un valor de 1 Ohm.
30) Se utilizará un modelo de cálculo más complejo (modelo de dos capas) para diseñar una malla de tierra, cuando estemos en presencia de suelos con una marcada no uniformidad (suelos multicapas). Además, cuando existen asimetrías en la malla, cuando existen espaciamientos desiguales en conductores o varillas y cuando es necesario más flexibilidad en la determinación de puntos locales de peligro.
31) En lugares donde sea necesario realizar el montaje de pozos profundos para lograr disminuir la resistencia de la malla se seguirán los siguientes criterios:
El criterio fundamental para decidir el montaje de electrodos profundos, es que las capas inferiores sean de mucha menor resistividad, esto es verificado al realizar el sondeo de resistividad a varias profundidades.
Deben ser ubicados en la periferia de la malla, pero como parte de ella, no separados.
La profundidad a la cual se enterrará el electrodo profundo estará determinada por el sondeo de resistividad realizado, el que determinará a
que profundidad se encuentra la menor resistividad, y a esta será la profundidad donde se montará el electrodo profundo.
Que el montaje del pozo profundo llegue a profundidades donde se encuentre el manto freático (saturación de humedad) no garantiza que exista una baja resistividad.
El hoyo que se abra para el montaje del electrodo profundo será rellanado con el mismo suelo que se extrae o con un suelo artificial de baja resistividad.
Se garantizará que el suelo que se utiliza como relleno debe ser debidamente compactado alrededor del electrodo.
1. Conclusiones
I. Con el análisis crítico de las normativas vigentes en Cuba en relación al diseño de las mallas de tierra en subestaciones se llega a la conclusión que se debe hacer una revisión de las mismas, para que recojan los nuevos descubrimientos que han acontecido en este campo (en cuanto a cálculo, medición, configuraciones de puestas a tierra, mejoramiento de los sistemas de puesta a tierra, entre otros). Muchos de estos aspectos son mencionados en la guía realizada por el autor.
II. La guía de diseño realizada constituye una herramienta de diseño de mucha importancia para dar respuesta a las situación existente en el país vinculada con este tema.
III. Esta guía puede servir de base para elaborar una nueva norma cubana para el diseño de mallas de tierra en subestaciones de potencia.
CALCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE UNA SUBESTACION.
El código eléctrico nacional (CEN) establece que toda instalación eléctrica debe disponer de un sistema de puesta a tierra de tal forma que cualquier punto accesible a las personas que puedan transitar o permanecer allí no estén sometidas a tensiones de paso o de contacto que superen los umbrales de soportabilidad, cuando se presente una falla y se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima corriente que pueden soportar, debida a la tensión de paso o la tensión de contacto y no al valor de la resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente.
Siempre es deseable un bajo valor de resistencia de puesta a tierra, para disminuir el máximo potencial a tierra, por tanto, al diseñar un sistema de puesta a tierra, es fundamental determinar tensiones máximas aplicadas al ser humano en caso de falla.
Función de una Malla de Puesta a Tierra.
La malla de puesta a tierra tiene varias funciones bien especificas a saber:
Evitan sobre voltajes producidos por descargas atmosféricas, operación o maniobras de disyuntores.
Proporcionar una vía rápida de descarga de baja impedancia con el fin de asegurar y mejorar el funcionamiento de las protecciones.
Proporcionar seguridad al personal de la subestación.
Requisitos de una Malla de Tierra.
Debe tener una resistencia tal que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra.
La variación de resistencia debido a cambios ambientales debe ser despreciable de manera que la corriente de falla a tierra en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las protecciones.
Impedancia de onda de bajo valor para permitir el paso de las descargas atmosféricas.
Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos.
Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, no debe haber calentamientos excesivos
Debe ser resistente a la corrosión.
El procedimiento para el calculo y diseño de una malla de tierra consiste en la siguiente secuencia de pasos:
1. Se asume una distribución de la malla y profundidad de colocación de las varillas de tierra
2. Se calcula el diámetro del conductor de la malla, teniendo en cuenta que el diámetro mínimo permisible corresponde a un cable desnudo 2/0 con un diámetro de 10.52 mm
3. Se calculan las tensiones de paso y de contacto máximas permisibles.
4. Se calculan las tensiones de paso y de contacto reales, si alguna de estas dos tensiones es superior a las tensiones máximas permisibles, se debe reorganizar la distribución de la malla de tierra con un espaciamiento entre conductores menor al escogido y se vuelven calcular los valores reales de tensión de paso y de contacto, de ocurrir la discrepancia volver a reorganizar con un espaciamiento menor hasta que las tensiones reales estén por debajo de los valores permisibles.
5. Calcular la resistencia de puesta a tierra bien se por el método de Laurent y Niemann o por el método de Dwight, este último es más exacto, aunque cualquiera de los dos es válido.
6. Se calcula el número de varillas de puesta a tierra.
Tensión de Paso:
La tensión de paso es la diferencia entre dos puntos de un terreno que pueden ser tocados simultáneamente por una persona, su valor permisible esta dado por:
Vppermisible=165+ρ¿
√t
Donde:
ρs = resistividad de la superficie del terreno en metros.
t = tiempo máximo de la duración de la falla en seg.
Tensión de Contacto:
Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultáneamente por una persona, su valor permisible esta dado por la siguiente expresión:
Vt permisible=165+0.25 ρ¿
√t
Donde:
ρs = resistividad de la superficie del terreno en metros.
t = tiempo máximo de la duración de la falla en seg.
La siguiente figura ilustra las distancias de paso y de contacto para los valores de tensión de paso y de contacto respectivamente
Diseño de La Malla de Tierra:
El diseño de una malla de tierra esta afectado por las siguientes variables:
Tensión permisible de paso Tensión permisible de contacto Configuración de la malla Resistividad del terreno Tiempo máximo de despeje de la falla Conductor de la malla Profundidad de instalación de la malla
Siguiendo el procedimiento descrito para el diseño y cálculo de la malla de tierra tenemos que la sección del conductor se calcula de la siguiente manera:
AC=Ix √ 33 xt
log( T m−T a
234+Ta
+1)Donde:
Ac = Sección del conductor en circular mils.
I = Corriente máxima de falla (amp)
Tm =Temperatura máxima en los nodos de la malla (450ºC con soldadura y 250ªC con amarre apernado.
Ta = Temperatura ambiente (ºC)
T = Tiempo máximo de despeje de la falla (segundos)
NOTA: la sección mínima recomendable para el cable de la malla es 2/0 AWG para la malla y 5/8” para las varillas.
Tensiones Reales de Paso y de Contacto.
La tensión de paso real de una subestación esta dada por:
V p real=K s K iρIL
Donde:
Ks = Coeficiente que tiene en cuenta la influencia combinada de la profundidad y el espaciamiento de la malla.
Ki = Coeficiente de irregularidad del terreno.
ρ = resistividad del suelo (ohm – m)
I = Corriente Máxima de Falla (amp)
L = Longitud total del conductor (m)
La tensión real de contacto está dada por:
V t real=K m K iρIL
Donde:
Km = coeficiente que tiene en cuenta las características geométricas de la malla.
Determinación de los coeficientes Km, Ki y Ks.
Para la determinación de los coeficientes es necesario tener en cuenta los siguientes términos:
A = Longitud de la malla (m).
B = Ancho de la malla (m)
L = Longitud total del conductor (m)
n = numero de conductores en paralelo de longitud A
m = Numero de conductores en paralelo de longitud B
D = espaciamiento entre conductores (m)
h = Profundidad de enterramiento (m)
d = diámetro del conductor (m)
La longitud total del conductor está dada por:
L=nxA+mxB
Los coeficientes se calculan de la siguiente manera:
Km= 12 πln ( D2
16 xhxd )+ 1π ln ( 34 x56
x78
x … ..)Para n-2 términos.
K i=0.65+0.172n n≤7
K i=2.0n>7
K s=1π ( 12h
+ 1D+h
+ 12D
+ 13D
+….)Para m-2 términos.
El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por dos métodos diferentes el de Laurent – Niemann y por el de Dwiight, el segundo es más largo pero es más exacto.
Método de Laurent – Niemann.
La expresión de la resistencia de puesta a tierra por este método tiene la siguiente expresión:
R=0.443 ρ( 1
√ Aγ+ 1
L )Donde:
Aץ = área de la malla de puesta a tierra en m2
ρ = resistividad del suelo (ohm-m)
L = Longitud total del conductor (m)
Nota: La ecuación anterior es una aproximación y su resultado siempre es mayor que el real.
Método de Dwight:
Este método es mucho más largo pero es más exacto que el anterior, el primer paso consiste en calcular la resistencia de un solo conductor de la malla:
R s=ρ2πL [ ln( 2L
r )+ln( Lh )+ 2h
L− h2
L 2−2]Donde:
Rs = resistencia de puesta a tierra de un solo conductor.
ρ = resistividad del suelo (ohm-m)
L` = Longitud del conductor (m)
H = profundidad de enterramiento del conductor (m)
R = radio del conductor.
Una vez calculada esta resistencia, se procede al cálculo de las resistencias debida a las interferencias mutuas entre los conductores, tal resistencia se calcula mediante la fórmula:
Ra=ρ2 πL [ ln( 4 L
E )+ ln( E2 L ) E2
16 L 2−1]Donde:
Ra = Resistencia mutua (ohm)
E = espaciamiento equivalente entre un conductor y los demás (m).
De lo anterior se deduce que la resistencia total de un conductor seria entonces:
Rc=R s+(n−1)Ra
Y la resistencia de n conductores seria:
Rcn=Rc
n
De forma análoga se determina la resistencia de los conductores transversales de la unión, la resistencia mutua de los componentes de unión incluyendo la interferencia debida a los conductores transversales a los cuales se encuentran unidos seria:
Ram=(m−1 ) Rau+(n−1) Ra
Donde:
Rau = resistencia mutua de conductores de unión (ohm)
La resistencia total de un solo conductor de unión seria:
Rcu=Rsu+Ram
Donde:
Rsu = Resistencia de un solo conductor de unión (ohm).
La resistencia de los m conductores es:
Rcm=Rcu
m
La resistencia total de la malla esta dada por:
R=Rcn x Rcm
Rcn+Rcm
Ejemplo:
Calcular la malla de tierra para una subestación con los siguientes parámetros:
Dimensiones del patio = 40 x 50 m2
Corriente máxima de falla = 1000 amperios
Nivel de tensión primaria = 34,5 kv
Resistividad del suelo = 300 ohmios – metros
Resistividad de la superficie = 2000 ohmios – metros
Tiempo máximo de falla = 1 segundo.
Temperatura ambiente = 30ºC
Temperatura de las uniones = 250ºC (uniones pernadas)
Solucion.
Selección del conductor:
Ac=1000 [ 33 x1
log(250−30234+30+1) ]
1 /2
=11213CM
1 cm2 = 5x10-4 mm2; 11213 CM= 5.606 mm2
El radio del conductor es de 2.6716 mm
El calibre mínimo permitido es de r=10.52 mm, eso representa un cable #2/0 AWG.
Elección de la malla:
Supongamos que queremos hacer una malla de 10 x 10 m, tenemos entonces que:
A = 50 m
B = 40 m
n = 5
m = 6
D = 10 m
El conductor se enterrara a 0.7 metros de profundidad.
h = 0.7 m
d = 0.01052
L = (5x50) + (6x40) = 490 metros
Km= 12 πln ( 102
16 x 0.7 x0.01052 )+ 1π ( 34 + 56+78 )=0.881
K i=0.65+0.172x 5=1.5
K s=1π ( 12x 0.7
+ 110+0.7
+ 120
+ 130
+ 140 )=0.291
Calculo de las tensiones de paso y de contacto permitidas:
Ep=165+2000
√1=2165voltios
Et=165+0.25 x2000
√1=665voltios .
Tensiones reales de paso y de contacto:
Ep=0.28 x 1.51x 300 x1000
490=268<2165 voltios
Et=0.881x 1.51x 300 x1000
490=814>665 voltios
Debido a que el voltaje de contacto real es mayor que el voltaje de contacto permitido, ya disposición de la grilla de la malla no cumple con los requisitos, por lo tanto se debe hacer otra disposición de grilla, en esta caso trataremos con 7 metros, ya que con 9 y 8 metros no cumple, los nuevos valores son:
A = 49 m
B = 42 m
n = 7
m = 8
D = 7 m
L= (7x49)+(8x42)=679 m
Km= 12 πln ( 72
16 x 0.7 x0.01052 )+ 1π ln( 34 + 56+78+ 910 )=0.734
K i=0.65+0.172x 7=1.854
K s=1π ( 12x 0.7
+ 17+0.7
+ 114
+ 121
+ 128
+ 135 )=0.327
Ep=0.327 x 1.854 x300 x 1000
679=267.86<2165voltios
Et=0.734 x1.854 x300 x1000
679=601.25<665voltios
Debido a que esta configuración si cumple con los requisitos mínimos permitidos de voltajes de paso y de contacto, se procede ahora a calcular la resistencia de puesta a tierra:
R=0.443 x300 x ( 1
√2058+ 1679 )=3.126 ohms
Si aplicamos el método de Dwigth, se tiene que el valor de la resistencia de tierra es de:
R=1.818ohms<3ohms
Por lo tanto la configuración de la malla garantiza el tener los voltajes de paso y de contacto dentro del mínimo exigido como que la resistencia de puesta a tierra es menor que el máximo aceptado.
Calculo del número de varillas a utilizar.
El uso de varillas de tierra como único medio para puesta a tierra en una subestación no es recomendable ya que no se crea una superficie equipotencial, por lo tanto las tensiones de paso y de contacto toman valores peligrosos.
La resistencia de una varilla enterrada a una profundidad entre 0.5 y 1 metro se calcula por:
Rv=ρ2 πL [ ln( 4 L
r )−1]Donde:
Rv = resistencia de la varilla
L = longitud de la varilla
r = radio de la varilla en metros.
Numero mínimo de varillas.
Existe un límite en el numero mínimo de varillas en paralelo, ya que su efectividad decrece cuando aumenta su número, este resultado se debe al siguiente fenómeno, cuando el numero de varillas aumenta en determinada área, el espacio entre electrodos decrece, los cilindros frontera de las varillas los cuales determinan la resistencia de tierra tienden a entrecruzarse, reduciendo la efectividad individual de cada varilla, por lo tanto manejar un numero demasiado alto de varillas en un espacio reducido, resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia.
Para determinar el número aproximado de varillas requeridas en un área dada para una subestación, se deben seguir los siguientes pasos:
Calcular la resistencia de una varilla Hallar la conductividad de esa varilla Determinar la resistencia deseada de aterramiento Hallar la conductividad de la resistencia anterior Calcular la siguiente relación:
Coductividad deseada /conductividad de cadavarilla
Determinar el área de la subestación Hallar el número de varillas deseadas.
Consideraciones:
1. Si al calcular la relación de conductividades se observa que su valor excede el limite dado para un número infinito de varillas se sugiere aumentar el área de la subestación, o colocar varillas de de un largo
mayor a 3 mts, para conseguir suelos de mejor resistividad o tratar el suelo.
2. Se sugiere colocar las varillas lo mas uniformemente distribuidas que se pueda, y en sitios importantes tales como pararrayos, y neutros de los transformadores de potencia.
3. En caso de que el diseño este orientado a una planta o subestación de gran importancia en donde exista la posibilidad de gradientes de potencial peligrosos para el personal aun con la colocación de una buena malla y de varillas de puesta a tierra, la práctica usual es la colocación de contrapesos.
