Clase 1 Curso PAT USB

Puesta a Tierra en Sistemas de PotenciaPuesta a Tierra en Sistemas de PotenciaClase 1: Introduccin

Prof. Miguel Martnez Lozano. http://prof.usb.ve/mmlozanoUniversidad Simn Bolvar

Sartenejas, Abril - Julio 2011 Por: Miguel Martnez Lozano

Agenda: Primera SesinParte I. Definicin e Importancia de los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT)

Parte II. Objetivos del SPAT

Parte III. Seguridad a Personas y Definiciones y Normativas

Parte IV. TareaParte IV. Tarea

Parte V. Conclusiones

Bibliografa de esta sesin:[1] Tierras. Soporte de la Seguridad Elctrica. 5ta Edicin. Favio Casas Ospina, ICONTEC. Agosto 2010.[2] IEEE Std 80-2000: IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.


[2] IEEE Std 80 2000: IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding .[3]IEC 479-1. 1994: Efectos de la Corriente Elctrica en los seres vivos.

Parte I

Definicin e Importancia de los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT)Definicin e Importancia de los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT)


CONCEPTOS GENERALESSISTEMAS DE PUESTA A TIERRASISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

C j t d l t it h t t l t iConjunto de elementos que permiten hacer un contacto elctricoconductivo entre el suelo y un equipo o parte de este, instalado fueradel suelo.

Equipo


CONCEPTOS GENERALESSISTEMAS DE PUESTA A TIERRASISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Tpico directamente relacionado con:

Seguridad a Personas (evitando riesgo del t i Sh k l t i )electrocucin o Shock elctrico)

Seguridad a los equipos, instalaciones, mediog q p , ,ambiente, etc, al garantizar la rpida actuacin de loselementos de proteccin ante condiciones de falla.

Capacidad de drenar todas las corrientes anmalasen la red cumpliendo con los dos puntos anteriores.


ALGUNOS CONCEPTOSSISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

- Puesta a Tierra: Unin intencional o casual,mediante la cual se une un equipo oconductor a tierraconductor a tierra.-Electrodo de Tierra: Conductor o grupo deellos en contacto con el suelo, con el fin deproporcionar una conexin elctrica con elterreno.- Elevacin de Potencial de Tierra GPR:Aumento del potencial del sistema de tierra,respecto a una tierra remota cuando fluyerespecto a una tierra remota, cuando fluyeuna corriente de falla.- Equipotencialidad: Todos los puntos quedeben ser puestos a tierra, deben estarinterconectados. Busca lograr que todo elsistema posea la misma diferencia depotencial.-Malla de Tierra: Electrodo de tierra.


Malla de Tierra: Electrodo de tierra.-Sistema de Puesta a Tierra: Interconexin detodas las puestas a tierra.

ALGUNOS CONCEPTOSSISTEMAS DE PUESTA A TIERRASISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

-Masa: Conjunto de partes metlicas de unequipo que en condiciones normales estnaisladas de tensin y pueden servir dereferencia de tensin. Pueden o no estarconectadas a tierra.-Neutro: Conductor de retorno para todas lascorrientes normales de los equipos decorrientes normales de los equipos depotencia. El conductor de neutro no debeconfundirse con el de puesta a tierra.-Conexin a tierra del neutro: Esquemas quedependen de la instalacin y normativaslocales.


CONCEPTOSSISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

- Resistencia de Puesta a Tierra: Resistenciaexistente entre un punto de la malla de tierray un punto denominado tierra remota.y p-Tierra Remota: Punto de tierra donde laresistencia mutua con el electrodo o malla, escero.Resistencia Mutua: Es el cambio de tensin-Resistencia Mutua: Es el cambio de tensin

que se produce en un electrodo o malladebido a la circulacin de 1 A, en otro.



-Potencial Elctrico: Potencial de un punto cualquiera, respecto a unareferencia de valor cero.-Lnea equipotencial: Donde todos los puntos tienen igual potencial.q p p g p

1200

1300Perfil de Potencial

900

1000

1100

t

e

n

c

i

a

l

(

V

o

l

t

i

o

s

)

Direccin x=-6 metros

-15 -10 -5 0 5 10 15600

700

800

P

o

t

-Perfil de potencial: Grfico del potencial en una direccin determinadadel electrodo o malla.

Y(metros)



Simbologa


Parte II

OBJETIVOSSISTEMAS DE PUESTA A TIERRA


OBJETIVOSSISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

-Evitar Tensiones peligrosas entreestructuras, equipos, etc y el terreno,durante condiciones normales o anormalesdurante condiciones normales o anormalesde operacin.- Proporcionar una va de baja impedanciapara garantizar la rpida operacin de losdispositivos de proteccin ante la ocurrenciade fallas.-Conducir a tierra las corrientes queprovienen de rayos tratando de minimizarprovienen de rayos, tratando de minimizarlas tensiones que se producen en losequipos afectados y tratando de evitar daoscolaterales o secundarios.S i d f i d t i l i-Servir de referencia de potencial en equipos

sensibles de control, cmputo y/omonitoreo.-Servir como conductor de retorno en ciertas


condiciones: Traccin, neutro, etc.

Por qu se ha vuelto un tema importante?

Desde hace varios aos atrs la incorporacin de equipos cada vez msdelicados y el crecimiento del sistema elctrico de potencia, ha hechoevidente la necesidad de los sistemas de puesta a tierra Principalmenteevidente la necesidad de los sistemas de puesta a tierra. Principalmentepor las consecuencias sufridas.

Es necesario tener claros los inconvenientes y riesgos que se corren, paraconsiderarlo parte fundamental en el diseo de una instalacin(empezando desde su fase ms conceptual con los arquitectos, hasta sucomprobacin final).

El desarrollo de la tecnologa ha hecho factible poseer sistemasinformticos que apoyen en las labores de diseo, ya que este problemaes muy complejo desde el punto de vista matemtico y fsico.

En fin, muchas veces son los problemas recurrentes los que dan origen ala preocupacin sobre este tpico, aunque representa un bajo costo totalrespecto al resto.


p

L i i i di d t d i i l dPor qu se ha vuelto un tema importante?La experiencia indica que adems que es un tema secundario a nivel deformacin en universidades y centros tecnolgicos y en general se hablas de la resistencia de puesta a tierra en anlisis de sistemas de potenciapara clculo de corrientes de fallas, pero nunca de su importancia real quep , p p qes en temas de seguridad.

Sistemas de Potencia en Alta TensinEn dnde aplica?

Sistemas de Potencia en Baja Tensin

Proteccin Contra Descargas Atmosfricas

Alimentacin en Corriente Continua

Referencia de Potencial en Sistemas Sensible


Referencia de Potencial en Sistemas Sensible

Proteccin Contra Descargas Estticas

Por qu se ha vuelto un tema importante?


Importancia del SPAT. Favio Casas Ospina. [1]

Parte III

SEGURIDAD A PERSONASSEGURIDAD A PERSONAS


SEGURIDAD A PERSONAS

Para disear un sistema de potencia seguro, se debe conocer:

T i P li d Controlable por el-Tensiones Peligrosas que pueden generarse.

- Zonas energizadas accesibles a personas.

Controlable por eldiseador

- Soportabilidad de la persona al estar sometida a voltaje. No Controlable por eldiseador

Es necesario conocer los efectos de la corriente en el cuerpo humano y establecer los lmites permisibles.

El problema es complejo debido a que no hay dos personas iguales y por tanto los lmites de soportabilidad son probabilsticos.


SEGURIDAD A PERSONASEfecto de la corriente en el cuerpo humanop

Antecedentes: The war of the currents or The Battle of the currents. La batalla tcnica que enfrent a Edison, Westinghouse y Tesla.

vsvs

Contnua (DC)


Alterna (AC)


Antecedentes: El trmino electrocutado, fue Westinghoused.Edison, pag para el desarrollo de la silla elctrica (1890), ya que la batalla sed ll l d d d l id d AC f t l i DCdesarroll alrededor de la idea de que AC era fatal en comparacin con DC.

L b t ll 1880 AC i l d d d 1902


La batalla comenz en 1880 y AC se impuso alrededor de 1902.


Depende principalmente de dos variables:

M it d d l C i t (R l i t V li d Z )- Magnitud de la Corriente (Relacin entre Vaplicado y Zcuerpo)- Tiempo de duracin (lo impone el propio sistema elctrico)


En Corriente Alterna (AC)

SEGURIDAD A PERSONASEfecto de la corriente en el cuerpo humanoEfecto de la corriente en el cuerpo humano

Definiciones:

U b l d i E l l i d l-Umbral de percepcin: Es el valor mnimo de la corriente que provoca una sesacin en una persona a travs de la que pasa esta corriente (IEC 479-1).

-Umbral de Reaccin: Es el valor mnimo de la corriente que provoca una contraccin muscular.

Umbral de no soltar: Cuando una persona tiene- Umbral de no soltar: Cuando una persona tiene sujetos unos electrodos, es el valor mximo de la corriente que permite a esa persona, soltarlos.

- Umbral de fibrilacin ventricular: Es el valor mnimo de la corriente que puede provocar la fibrilacin ventricular. Es muy sensible a la duracin de la corriente y tiene relacin con el ciclo cardiaco


de la corriente y tiene relacin con el ciclo cardiaco.

SEGURIDAD A PERSONASEfecto de la corriente en el cuerpo humano

En Corriente Continua, el cuerpo soporta mayores magnitudes por tiempos similares a los de AC.


En Corriente Continua (CC)

Los rangos de frecuencia ms peligrosos, son 40 100 hz


EFECTO DE LA FRECUENCIA

Factor de Correccin en rango de sensacin.Factor de Correccin en rango de Fibrilacin.


SEGURIDAD A PERSONASEf t d l i t l hEfecto de la corriente en el cuerpo humano

Ef t Fi i l i lEfectos Fisiolgicos segn la zona:

- Zona 1: No hay Reaccin. No es perceptible la corriente.

- Zona 2: Hay percepcin pero no tiene efectos fisiolgicos dainos.

- Zona 3: No hay dao orgnico. Calambres y contracciones muscularesZona 3: No hay dao orgnico. Calambres y contracciones musculares y dificultad para respirar si dura ms de 2 s. Disturbios reversibles de impulsos en el corazn (fibrilacin atrial y paro cardiaco transitorio).

- Zona 4: Efectos fisiopatolgicos peligrosos. Paro Cardiaco, quemaduras graves, paro respiratorio.



Electrocardiograma y presin sangunea ante disparo de fibrilacin ventricular.

PR T

Q S

Perodo de mayor vulnerabilidad



Siendo la zona 4, la considerada de riesgo peligroso, es la fibrilacin ventricular la que suele marcar el lmite en los diseos de sistemas de puesta a tierra. El Std 80 2000 del IEEE indica las siguientes expresiones que marcaran losStd 80-2000 del IEEE indica las siguientes expresiones que marcaran los valores de corriente mxima permisible:

tskIf

If: Mxima corriente tolerable.

ts

k: factor emprico. 0,116 para personas de 50 kg y 0,157 para 70 kg.


ts: duracin de la corriente.


Para poder conocer en la prctica el valor de la corriente que puede circular por el cuerpo humano para una condicin anmala dada, es necesario:D t i l l i d l t i l tid l-Determinar el valor mximo de la tensin a la que se vera sometida la persona

al entrar en contacto con la parte energizada.-Conocer el valor de la impedancia equivalente del cuerpo humano a lo largo del posible recorrido de la corriente y de contacto con el suelo.pos b e eco do de a co e e y de co ac o co e sue o

Circuito Equivalente

Impedancia del cuerpo

C di i l


Impedancia persona - suelo

Condicin real


La Impedancia del cuerpo humano, tambin es un factor importante y difcil decontrolar, ya que depende de mltiples variables: Frecuencia, Voltaje, Superficiede contacto, humedad de la piel, etc.

Impedancia Total del Cuerpo HumanoZp1 y Zp2: Piel. Zi: Interna



Distribucin de la impedancia internaPor ejemplo:Por ejemplo:

Zinterna brazo brazo: 94.4%

Zinterna mano pie: 100 %

Camino de mayor peligrosidad:Brazo izquierdo pie (posicin corazn)

D h bti l I f d l


De ah se obtiene la Iref de las curvas


Icorregida = Igrfica / F

Ejemplo: Si la fibrilacin de referencia ocurre a 80 mA (brazo izquierdo-pie),


j p ( q p )entonces si fuera mano mano, sera de 200 mA.



El Std 80-2000 del IEEE, considera como impedancia Zt = 1000 , para cualquier condicin, representando el promedio probable


Variacin de la Resistencia oImpedancia con la tensin aplicadaImpedancia con la tensin aplicada.

Valor asinttico 1000 Valor asinttico 1000


Valor conservador

Nota: No toma en cuenta la impedancia aadida por ropa e implementos (EPP)


Variacin de la Resistencia o


Impedancia con la frecuencia.


Variacin de la Resistencia oImpedancia con el rea decontacto del cuerpocontacto del cuerpo.



Ahora falta por conocer la impedancia de contacto del cuerpo humano con el suelo, para conocer los valores que permiten conocer

l t t l i it l t i t d t i tcompletamente el circuito elctrico presentado anteriormente.

Para ello, hay que conocer las dos condiciones habituales en las que se puede producir una diferencia de tensin accidental y peligrosa en unpuede producir una diferencia de tensin accidental y peligrosa en un cuerpo humano, independientemente del nivel de tensin o causa de la situacin anormal:

Tensiones de toque o de contactoContacto Directo

Condicionesdel contacto

Tensiones de paso

Contacto Indirecto



- Tensin de Toque: Diferencia de potencial mxima entre una estructura uobjeto metlico puesto a tierra y un punto sobre el terreno a 1 m de distancia.

R2

RpRtotal Rc

1000 Rc

Rp 4

Rpb

3,125 Rp

1000 1,5 Rtotal

, resistividad del suelo en -m.


b = 0.08 m

b


-Tensin de Paso: Diferencia de potencial mxima entre dos puntos sobre elterreno a una distancia de 1 m, en la direccin de mayor variacin del perfil depotencial.p

2Rtotal Rc Rp

1000 6 Rtotal



-Finalmente: Si se conocen las corrientes soportables o permisibles y lasimpedancias del cuerpo humano, se pueden poner cotos al valor mximopermisible de tensin, para cada uno de los casos.p , p

(1000 1.5 ) mxToqueV If V kIf(1000 6 ) mxPasoV If V

q

tskIf

Son estas tensiones las que marcan como primeraprioridad el diseo fsico de un sistema de puesta a tierra,ya que no deben ser superadasya que no deben ser superadas.

Primer paso para el diseo de un SPAT



-Ejemplo: Clculo de las tensiones mximas para una persona de 70 kg, si lafalla dura en despejarse 0.5 s.

0,157 / 0.5 = 0,222 AIf Mxima corriente permisible

( m) V (V) V (V) (-m) VmxToque (V) VmxPaso (V)100 225,36 355,25

1000 555,08 1554,22



DISEO


SEGURIDAD A PERSONASElementos que se aaden para aumentar las tensionesElementos que se aaden para aumentar las tensiones permisibles:-Implementos de seguridad personal (EPP)- Suelos aislantes para aumentar impedancia del circuito.

b

sPiedra picada

Suelo

hs

Suelo


SEGURIDAD A PERSONASElementos que se aaden para aumentar las tensiones permisiblesElementos que se aaden para aumentar las tensiones permisibles

Como hs es comparable con b.

D b liDebe aplicarse unfactor de correccin,ya que no es ciertosustituir

por sl ien las expresiones

planteadasanteriormente.


s, vara entre 2500 m y 5000 m

SEGURIDAD A PERSONASElementos que se aaden para aumentar las tensiones permisiblesElementos que se aaden para aumentar las tensiones permisibles

Factor de compensacin:

V)511000( CIfV kV )5.11000( ssmxToque CIfV V)61000( CIfV ts

kIf V )61000( ssmxPaso CIfV


hs en m y s en m.

RESUMEN

GPR


Parte III.bNORMALIZACION EN

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

En un mundo globalizado, la nica forma deentendimiento, es mediante el uso de unlenguaje comn o normalizado.g j


Qu es una norma?Qu es una norma?

Documento tcnico, elaborado por consenso entre expertosrelacionados al tema y que proporciona a efectos de uso comn,y q p ppautas o directrices destinadas a las actividades del tema encuestin.

Objetivos de una norma:Lograr el mayor grado de ordenLograr el mayor grado de orden

Mejorar la calidad

Aumentar la compatibilidad


Aumenta la seguridad

NivelesdeNormalizacin

ISO IEC UITInternacionales

Nacionales

ISO IEC UIT

COVENIN FONDONORMA

De Asociaciones IEEE NFPA UL ASTM

De Empresas PDVSA CONATEL DIGITEL

NOTA E l l i l l t t iNOTA: En general, las nacionales son reglamentos tcnicosde OBLIGADO CUMPLIMIENTO, siendo penalizados por laley los casos de violaciones.


CEN COVENIN 200 (2004). Gaceta Oficial segn resolucin 1177 de enero de 1974

Aplicacindelasnormas,reglamentosyrecomendacionesparaSPATensistemasdetelecomunicaciones:

Referencia de Voltaje Electricidad AC Proteccin Rayos

SPATEsttica y RuidoElectricidad DC

Telecomunicaciones


Referencia de Electricidad Proteccin Esttica y Electricidad Documentos VoltajeAC Rayos RuidoDCDocumentos

IEC 61479-X

IEC 60364

IEC 62305-X

IEC 60947-X

IEC 60034-X IEC 60034 X

IEC 61000-X

IEC 61312-X

COVENIN 200 -CEN


CENCOVENIN 599

Referencia de Electricidad Proteccin Esttica y Electricidad Documentos VoltajeAC Rayos RuidoDCDocumentos

IEEE Std 142

IEEE Std 1100

IEEE std 80

IEEE C 62.92

NFPA 780

UIT SERIE K

UIT SERIE T UIT SERIE T

OTRAS (PDVSA, CONATEL, ETC)


Medicin y AuditoraDocumentos

IEEE Std 81

IEEE std 1246

IEEE std 837


Parte IV

Tarea # 1 (Asignacin de Semana 2): La Tarea debe ser entregada en Semana 3.

Determinar las tensiones mximas permisibles de Toque y de Paso, para las siguientes di icondiciones:

(Personas de 70 kg)

a.- Sin piedra picada:a.1.- Obtener las grficas de las tensiones permisibles en funcin del tiempo de despeje de la corriente. Datos: = 100 m (vare ts entre 0.1 y 2 s)b.2.- Obtener las grficas de las tensiones permisibles en funcin de la resistividad del suelo Datos: ts = 0 5 s (vare entre 10 y 1000 m)suelo. Datos: ts = 0.5 s (vare entre 10 y 1000 m)b.- Con piedra picada:b.1.- Obtener las grficas de las tensiones permisibles en funcin de hs. Datos: = 100 m, s = 3000 m, ts = 0.5 s. (vare hs entre 5 cm y 50 cm)b.2.- Obtener las grficas de las tensiones permisibles en funcin de s. Datos: : = 100 m, hs = 15 cm , ts = 0.5 s. (vare s entre 1000 y 5000 m).


Enviar tarea en grupos de 3, por email a [email protected] (ASUNTO: TAREA 1)

Parte V

Conclusiones:

-El Sistema de Puesta a Tierra es un complejo problema multivariable que debe separarse en bajo tierra y sobre tierra.

-Su principal propsito es la seguridad a personas y luego la calidad del i i l t d l i bl id dservicio en el resto de las variables consideradas.

-Por s solo no garantiza su objetivo, ya que depende de los equipos de desconexin (breakers rels fusibles etc)desconexin (breakers, rels, fusibles, etc).

-El problema radica en entenderlo y no volver emprico el trabajo.

-Sobre l recae fuertemente muchas de las caractersticas indispensables de un SEP (Calidad, Confiabilidad y Seguridad)


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