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INSTITUTO POLITCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA JUINSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICAELCTRICA PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I. T E S I S QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A JUAN CARLOS NAVA PALACIOS MXICO D.F. 2009 INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL MECNICA Y PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y SUBESTACIN LAS MXICO D.F. 2009ii iii ivDEDICATORIA vDEDICATORIA Amispadres,porapoyarmeentodomomentodurantemietapadeformacin acadmica,perosobretodoporhabermeinculcadolosvaloresyprincipios primordiales. Amishermanos,porestarsiemprealpendientedemispasos,yporseruna fuente de inspiracin constante para superarme da con da. Amisseresqueridos,pordepositarsuconfianzaenm,yportenersiempre buenos deseos. Brindoestetrabajoatodasaquellaspersonasquehansidomiscmplicesalo largodeestelargocamino,yaqueeldadehoyseconcretaunametamuy importante para m. Atodoslosquehancompartidoalgunosminutosdesutiempoenobservary aportar sus comentarios a este trabajo. A la Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica (E.S.I.M.E), as como sus profesores,porhacerposiblelaformacindegrandesprofesionistasquese integran con xito al sector elctrico del pas. AlInstitutoPolitcnicoNacional(I.P.N.),porserunainstitucinsiempre comprometida,responsable,ysobretodoenconstantebsquedadeser vanguardista para ofrecer siempre la mejor calidad en educacin. viAGRADECIMIENTOS viiAGRADECIMIENTOS Al Ing. Harper, por haber aceptado asesorarme, adems de haber tenido paciencia en m durante todo este periodo. Al Dr. Daniel Ruiz, que otorgo su valioso tiempo para nutrir con su experiencia el contenido de este trabajo. Al Ing. Telesforo, por su disponibilidad y profesionalismo, ya que en todo momento pude contar con sus consejos. Al Ing. Bulmaro Snchez, por su amabilidad y por sus atinadas recomendaciones, que enriquecieron este trabajo. AlIng.GonzaloMendozaGalvn,porbrindarmelaoportunidaddetrabajarasu lado, por darme su amistad, pero sobre todo por la confianza que tuvo en m para desarrollar y culminar este trabajo. AlIng.FernandoAtristain,porotorgarmeelprivilegiodeintegrarmeasuselecto grupo de trabajo, por confiar en los jvenes que tienen ganas de salir adelante, por teneresavocacindetransmitirsusconocimientosalasnuevasgeneraciones, pero por sobre todas las cosas, por demostrarme que los sueos, por muy lejanos que parezcan, se pueden hacer realidad. AlaContadoraEstelaBarroso,porquesusconsejossiemprepuntuales,su amistad incondicional, y sus buenos deseos han sido un gran aliciente para m. Amiscompaerosyamigos,porquesuprofesionalismoesbuenpretextopara tratar de ser una mejor persona. Atodasaquellaspersonasqueporomisindejedenombrar,peroquehansido parte medular en mi formacin como persona y profesionista, gracias por ser parte de este logro tan importante para m. viiiPROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I ixCONTENIDO PGINA LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................... XI LISTA DE TABLAS ......................................................................................................................... XIII GLOSARIO ...................................................................................................................................... XV ABREVIATURAS Y SMBOLOS .................................................................................................... XIX SIGLAS Y ACRNIMOS ................................................................................................................ XXI OBJETIVO .......................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIN................................................................................................................................. 1 CAPTULO I: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DELSISTEMA DE PUESTAATIERRA EN UNA SUBESTACIN ELCTRICA DE POTENCIA CONVENCIONAL ...................................... 5 1.1DEFINICIONES [1], [4], [19] ............................................................................................... 5 1.2PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA [1] ........................................................................... 9 1.3CONSIDERACIONES SOBRE SEGURIDAD [1] ............................................................. 10 1.4EFECTOS DE LA CORRIENTE [1] .................................................................................. 11 1.5LMITES DE CORRIENTE TOLERABLE [1] .................................................................... 13 1.6CIRCUITO DE ELECTROCUCIN ACCIDENTAL [1] ..................................................... 14 1.7EFECTO DE UNA CAPA DELGADA DE MATERIAL SUPERFICIAL [1] ......................... 19 1.8CRITERIO DE TENSIONES DE SEGURIDAD [1] ........................................................... 20 CAPTULOII:RESISTIVIDADAPARENTEDELSUELOYPRINCIPIOSDE RESISTENCIAATIERRAPARASUBESTACIONESELCTRICAS CONVENCIONALES ........................................................................................................................ 23 2.1RESISTIVIDAD DEL SUELO [4] ...................................................................................... 23 2.2FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO [4] .................................. 24 2.3MTODOSPARALAMEDICINDELARESISTIVIDADAPARENTEDEL SUELO ......................................................................................................................................... 29 2.4INTERPRETACINDEMEDICIONESDERESISTIVIDADAPARENTEDEL SUELO [5] ......................................................................................................................................... 36 2.5DETERMINACINDELARESISTENCIAATIERRADELAMALLADEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA [1] ............................................................................................... 41 PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I xPGINA 2.6MEDICIN DE RESISTENCIA A TIERRA DE SUBESTACIONES ELCTRICAS CONVENCIONALESPORELMTODODECADADEPOTENCIALODELOSTRES ELECTRODOS [3] ............................................................................................................................. 43 CAPTULOIII:MTODODECLCULODEREDESDETIERRAPARA SUBESTACIONES ELCTRICAS DE POTENCIA CONVENCIONALES ...................................... 47 3.1CRITERIOS DE DISEO [4] ............................................................................................ 47 3.2PROCEDIMIENTO DE DISEO [1] ................................................................................. 49 3.3DISEODELAREDDETIERRASDELASUBESTACINLASFRESAS BANCO I ......................................................................................................................................... 64 3.4IMPACTOENLOSRESULTADOSOBTENIDOSENDISEOCOMO CONSECUENCIA DE LA MODIFICACIN DE ALGUNOS PARMETROS INICIALES .................. 73 3.5COMPARATIVAENTRELOSRESULTADOSOBTENIDOSUTILIZANDODEL PROCEDIMIENTO DE DISEO DE REDES DE TIERRA DE CFE Y CLF CON RESPECTO AL PROCEDIMIENTO DE DISEO DEL STD. 80 DE IEEE .............................................................. 80 3.6CONECTORES Y ACCESORIOS PARA LA RED DE TIERRAS [11] .............................. 88 3.7CRITERIOSPARALAPUESTAATIERRADEEQUIPOSDE INSTRUMENTACINYCONTROLDELACASETADECONTROLDELA SUBESTACIN. [6] ........................................................................................................................... 90 3.8ELPAPELQUEJUEGALAREDDETIERRASDELASUBESTACINANTE LA PRESENCIA DE LAS ARMNICAS .......................................................................................... 103 CAPTULO IV: VERIFICACIN EN CAMPO DE LOS VALORES CALCULADOS ...................... 119 4.1GENERALIDADES ........................................................................................................ 119 4.2DESARROLLO............................................................................................................... 119 CAPTULO V: ESTUDIO TCNICO - ECONMICO. .................................................................... 125 5.1INTRODUCCIN ........................................................................................................... 125 5.2OBJETIVO. .................................................................................................................... 125 5.3COSTO DE INVERSIN Y UTILIDAD ........................................................................... 125 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................................. 129 REFERENCIAS ............................................................................................................................... 133 LISTA DE FIGURAS xiLISTA DE FIGURAS PGINA FIGURA1.1ISOMTRICOMOSTRANDOUNSISTEMADEPUESTAATIERRACONFORMADOPOR CUATRO MALLAS, INDICANDO SUS PRINCIPALES ELEMENTOS. .................................................................... 6 FIGURA1.2DIBUJOENTRESDIMENSIONESMOSTRANDOLOSGRADIENTESDEPOTENCIALENLA SUPERFICIEDELSUELOORIGINADOSPORLAINYECCINDEUNACORRIENTEALARREGLODELA FIGURA 1.1. TAMBIN SE ILUSTRAN ALGUNOS CONCEPTOS MENCIONADOS PREVIAMENTE........................... 7 FIGURA1.3DIBUJO EN PLANTAMOSTRANDOLOSGRADIENTESDE POTENCIAL ENLASUPERFICIE DEL SUELO ORIGINADOS POR LA INYECCIN DE UNA CORRIENTE AL ARREGLO DE LA FIGURA 1.1. ................ 7 FIGURA 1.4 ALZADO MOSTRANDO LAS DIFERENCIAS DE POTENCIAL RIESGOSAS. [1] ................................... 8 FIGURA1.5ALZADOMOSTRANDOLAREPRESENTACINDELACAPADEMATERIALSUPERFICIAL USADA PARAINCREMENTARLARESISTENCIADECONTACTOENTREELSUELOYLOSPIESDELAS PERSONAS. ............................................................................................................................................ 8 FIGURA1.6.DIAGRAMASIMPLIFICADOPARAENTENDERELCONCEPTODERESISTIVIDADDEL SUELO,COMOLARESISTENCIADEUNVOLUMENCONSECCINTRANSVERSALAYLONGITUDL UNITARIAS. [5]. ...................................................................................................................................... 8 FIGURA 1.7. EXPOSICIN A LA TENSIN DE CONTACTO [1] ..................................................................... 15 FIGURA 1.8. IMPEDANCIA PARA EL CIRCUITO DE LA TENSIN DE CONTACTO [1] ....................................... 16 FIGURA 1.9. CIRCUITO DE LA TENSIN DE CONTACTO [1] ....................................................................... 16 FIGURA 1.10. EXPOSICIN A LA TENSIN DE PASO [1] ........................................................................... 17 FIGURA 1.11. CIRCUITO DE LA TENSIN DE PASO [1] ............................................................................. 17 FIGURA 1.12. ALZADO MOSTRANDO LA REPRESENTACIN DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL USADA PARAINCREMENTARLARESISTENCIADECONTACTOENTREELSUELOYLOSPIESDELAS PERSONAS. .......................................................................................................................................... 19 FIGURA2.1.DIAGRAMASIMPLIFICADOPARAENTENDERELCONCEPTODERESISTIVIDADDEL SUELO,COMOLARESISTENCIADEUNVOLUMENCONSECCINTRANSVERSALAYLONGITUDL UNITARIAS [5]. ..................................................................................................................................... 23 FIGURA 2.2 RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIN DE LA TEMPERATURA. ............................................... 25 FIGURA2.3.RESISTIVIDADDELSUELOENFUNCINDELACONCENTRACIN1DESALES DISUELTAS [4]. ..................................................................................................................................... 26 FIGURA 2.4. RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIN DEL TIPO DE SALES [4]. ............................................ 26 FIGURA 2.5 RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIN DE LA HUMEDAD 2. .................................................... 27 FIGURA 2.6. ESTRATIFICACIN DEL SUELO [5]. ...................................................................................... 27 FIGURA 2.7. VARIACIN DE LA RESISTENCIA A TIERRA EN FUNCIN DE LA POCA DEL AO [10]. ............... 28 FIGURA 2.8 PRINCIPIO DE MEDICIN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MTODO DE WENNER. ............................................................................................................................................ 29 FIGURA 2.9 ESQUEMA DE MEDICIN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MTODO DE WENNER . ........................................................................................................................................... 30 FIGURA 2.10 DIRECCIONES PARA LA MEDICIN EN CAMPO. [2]................................................................ 31 FIGURA 2.11 PRINCIPIO DE MEDICIN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MTODO DE SCHLUMBERGER [2]. ............................................................................................................................ 34 FIGURA 2.12 ESQUEMA DE MEDICIN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MTODO DE SCHLUMBERGER [2]. ............................................................................................................................ 34 FIGURA 2.13. RESISTIVIDAD APARENTE EN FUNCIN DE LA SEPARACIN ENTRE ELECTRODOS DE PRUEBA [4]. ......................................................................................................................................... 37 FIGURA 2.14 MODELO ESTRATIFICADO DE DOS CAPAS HORIZONTALES. ................................................... 39 FIGURA2.15PRINCIPIODEMEDICINDERESISTENCIAATIERRAPORELMTODODECADADE POTENCIAL [3] ..................................................................................................................................... 43 FIGURA 2.16 RESISTENCIA APARENTE PARA VARIOS ESPACIAMIENTOS DE X. [3] ..................................... 43 FIGURA 2.17 CURVA TPICA DE RESISTENCIA A TIERRA [3]. ..................................................................... 44 FIGURA 3.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCEDIMIENTO DE DISEO. [1].................................................... 50 FIGURA 3.2. VISTA DE PLANTA DEL SPT PROPUESTO PARA LA S.E. LAS FRESAS BANCO I. ...................... 68 FIGURA3.3.VISTADEPLANTADELARREGLODEEQUIPOSDELAS.E.LASFRESASBANCOI, MOSTRANDO EL SPT PROPUESTO. ........................................................................................................ 69 FIGURA3.4.GRFICADE VARIACINDEL POTENCIALDE MALLAYDIFERENCIADEPOTENCIALDE CONTACTO TOLERABLE MODIFICANDO LA RESISTIVIDAD DE DISEO . ..................................................... 74 LISTA DE FIGURAS xiiPGINA FIGURA3.5.GRFICADEVARIACINDETENSINDEPASOSUPERFICIAL(ES)YDIFERENCIADE POTENCIALDEPASOTOLERABLEPARAUNAPERSONADE50KG(EPASO50)MODIFICANDOLA RESISTIVIDAD DE DISEO (). ................................................................................................................ 75 FIGURA 3.6. GRFICA DE VARIACIN DE TENSIN DE CONTACTO TOLERABLE PARA UNA PERSONA DE50KG(ECONTACTO50)YDIFERENCIADEPOTENCIALDEPASOTOLERABLEPARAUNA PERSONADE50KG(EPASO50)MODIFICANDOLARESISTIVIDADDELACAPASUPERFICIALDE ROCA TRITURADA (S). ......................................................................................................................... 76 FIGURA3.7.GRFICADEVARIACINDERESISTENCIAATIERRA(RG)YLONGITUDEFECTIVADE CONDUCTORES (LM) MODIFICANDO ESPACIAMIENTO ENTRE CONDUCTORES PARALELOS (D). ................... 77 FIGURA3.8.GRFICADEVARIACINDEPOTENCIALDEMALLA(VM)YTENSINDEPASO SUPERFICIAL (ES) MODIFICANDO LA CORRIENTE SIMTRICA DE FALLA A TIERRA (IF) ................................. 78 FIGURA3.9.GRFICADECOSTODELAREDDETIERRAS(CABLEENTERRADO)PARADISEOS TOMANDO COMO BASE TENSIONES TOLERABLES PARA PERSONAS DE 50 KG. Y 70 KG. ............................ 79 FIGURA3.10.FLUJOGRAMADEPROCEDIMIENTODEDISEO,DEACUERDOCONLANRF-011-CFE [2]. .............................................................................................................................................. 81 FIGURA3.11.DIAGRAMADEBLOQUESPARAELPROCEDIMIENTODEDISEO,DEACUERDOCON MANUAL DE DISEO DE SUBESTACIONES DE COMPAA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. .................. 82 FIGURA 3.12. ACOPLAMIENTO ENTRE DOS CIRCUITOS DEBIDO A UNA TRAYECTORIA DE RETORNO COMN. ............................................................................................................................................... 93 FIGURA3.13.ACOPLAMIENTODEUNASEALEXTERNAALOSCABLESDEINTERCONEXINDEL EQUIPO. .............................................................................................................................................. 94 FIGURA 3.14. FORMAS DE RUIDO. ......................................................................................................... 95 FIGURA3.15.PUESTAATIERRAENUNSOLOPUNTOPARASEALESDEBAJAFRECUENCIACON GABINETES PRXIMOS UNOS DE OTROS. .............................................................................................. 101 FIGURA3.16.PUESTAATIERRAENUNSOLOPUNTOPARASEALESDEBAJAFRECUENCIACON GABINETES PRXIMOS UNOS DE OTROS. .............................................................................................. 101 FIGURA3.17.PUESTAATIERRAENUNSOLOPUNTOPARASEALESDEBAJAFRECUENCIACON GABINETES AMPLIAMENTE SEPARADOS CON INTERRUPTOR DE SEGURIDAD DE PUERTA. ......................... 102 FIGURA 3.18. PUESTA A TIERRA DE CIRCUITOS DE CONTROL. ............................................................... 102 FIGURA 3.19. ONDA SENOIDAL A FRECUENCIA FUNDAMENTAL. ............................................................. 104 FIGURA 3.20. ONDA SENOIDAL DE LA QUINTA ARMNICA. ..................................................................... 104 FIGURA 3.21. FORMA DE ONDA RESULTANTE DE LA ADICIN DE LAS ONDAS DE LAS FIGURAS. 3.19 Y 3.20. .............................................................................................................................................. 104 FIGURA 3.22. DENSIDADES DE CORRIENTE EN UN MISMO CONDUCTOR, (A) A CORRIENTE DIRECTA Y (B) A CORRIENTE DE ALTA FRECUENCIA. ........................................................................................... 107 FIGURA3.23.CIRCUITOSQUEEJEMPLIFICAN:(A)RESONANCIAPARALELOY(B)RESONANCIA SERIE. ............................................................................................................................................... 109 FIGURA3.24.CIRCUITOEQUIVALENTEPARAELANLISISDELSISTEMAAFRECUENCIAS ARMNICAS. ...................................................................................................................................... 110 FIGURA 3.25. ALGUNOS DIAGRAMAS DE FILTROS PASIVOS. .................................................................. 114 FIGURA 3.26. RESPUESTA A LA FRECUENCIA TPICA DE UN FILTRO DE SINTONIZADO PUNTUAL. ............... 115 FIGURA 3.27. CIRCUITO ESQUEMTICO DE UNA TRAMPA DE ONDA [18]. ................................................ 116 FIGURA4.1DIAGRAMAESQUEMTICODECONEXIONESPARALAMEDICINDERESISTENCIAA TIERRA CON CUATRO POLOS [9]. ......................................................................................................... 120 FIGURA4.2PUNTOSELECCIONADOPARALAINYECCINDECORRIENTEYDISTANCIAPARALA UBICACIN DE LOS ELECTRODOS AUXILIARES DE CORRIENTE Y POTENCIAL. ........................................... 121 FIGURA4.3GRFICADEVALORESDERESISTENCIAOBTENIDOSPORCADAINCREMENTODE DISTANCIA. ........................................................................................................................................ 123 FIGURA 5.1. PRESUPUESTO DE MEDICIONES EN CAMPO. ...................................................................... 126 FIGURA 5.2. ANLISIS DE COSTOS. ..................................................................................................... 127 LISTA DE TABLAS xiiiLISTA DE TABLAS PGINA TABLA 2.1.- FORMATO DE REGISTRO DE MEDICIONES DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO [2]. ........... 33 TABLA 2.2.- VALORES DE RESISTIVIDAD PARA VARIOS TIPOS DE SUELOS Y AGUA [5]. ............................... 35 TABLA 2.3 FORMATO TPICO PARA EL REGISTRO DE LOS VALORES DE RESISTENCIA A TIERRA. .................. 46 TABLA 3.1 NDICE DE PARMETROS DE DISEO [1]. ................................................................................ 49 TABLA 3.2. CARACTERSTICAS DE MATERIALES [1]. ............................................................................... 54 TABLA 3.3. CONSTANTES DE MATERIALES [1]. ....................................................................................... 55 TABLA 3.4. VALORES TPICOS DE DF [1]. ................................................................................................ 58 TABLA 3.5. DATOS PARA DISEO DE LA RED DE TIERRAS DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I [8]. .................................................................................................................................................... 64 TABLA3.6.RESULTADOSOBTENIDOSDEACUERDOCONELPROCEDIMIENTODEDISEODEL ESTNDAR 80 DE IEEE [1]. .................................................................................................................. 83 TABLA3.7.RESULTADOSOBTENIDOSDEACUERDOCONELPROCEDIMIENTODEDISEODELA NRF-011-CFE [2]. .............................................................................................................................. 84 TABLA 3.7. (CONTINUACIN) RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL PROCEDIMIENTO DE DISEO DE LA NRF-011-CFE [2]. ......................................................................................................... 85 TABLA3.8.RESULTADOSOBTENIDOSDEACUERDOCONELMANUALDEDISEODE SUBESTACIONES DE COMPAA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. ..................................................... 86 TABLA 3.8. (CONTINUACIN) RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL MANUAL DE DISEO DE SUBESTACIONES DE COMPAA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. ................................................. 87 TABLA4.1.CARACTERSTICASTCNICASDELEQUIPODEMEDICINSELECCIONADOPARALA MEDICIN DE RESISTENCIA A TIERRA [9]. ............................................................................................. 119 TABLA4.2.VALORESDERESISTENCIADECONTACTOENTREDIFERENTESELEMENTOSDELA SUBESTACIN. ................................................................................................................................... 120 TABLA 4.3. VALORES DE RESISTENCIA OBTENIDOS POR CADA INCREMENTO DE DISTANCIA. .................... 122 xivGLOSARIO xvGLOSARIO Acoplamiento.-Elacoplamientosepuededefinircomoelmedioporelcualuna tensinocorrienteenuncircuitoproduce(demaneradirectaoatravsde induccin)unatensinocorrienteenotrocircuitodiferente.Elacoplamientode interferenciaesunacoplamientonointencionalentrecircuitos,queproduceuna respuesta no deseada en uno de los circuitos que intervienen en el acoplamiento Armnica.-Unaarmnicapuededefinirsecomounacomponentesenoidalde unaondaperidicaodeunacantidadquetienefrecuenciaqueesunmltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema. Las armnicas pueden entonces conceptualizarsecomotensionesy/ocorrientesqueexistenenunsistema elctrico para algunos mltiplos de la frecuencia fundamental. Armnica triplen.- Armnicas del orden tres y sus mltiplos, ej. 3a, 9a, 15a, 21a. Conector: Los conectores son los elementos que permiten unir todo el sistema de Puesta a Tierra y deben tener la capacidad de soportar altas corrientes, esfuerzos electromecnicos y sobrecalentamientos. Compactacin.- La compactacin de suelos es el proceso artificial por el cual las partculas de suelo son obligadas a estar ms en contacto las unas con las otras, medianteunareduccindelndicedevacos,empleandomediosmecnicos,lo cual se traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles. Compensador esttico de VARS.- Un compensador esttico de vars se emplea para compensar potencia reactiva usando un control de la magnitud de la tensin en un bus particular de un sistema elctrico de potencia. Corriente simtrica de falla a tierra.- Representa el valor RMS de la componente simtricaenelprimermediociclodeunaondadecorrientequesedesarrolla despus del instante de una falla en un tiempo cero. Crosstalk.- Cuando se transmite CA o un pulso de CD en un par o mltiples pares decabletrenzados,existeunatendenciadelasealesasersuperpuestasen seales que estn siendo transmitidas en pares trenzados adyacentes debido a un combinacindeacoplamientocapacitivoeinductivo.Enotraspalabras,crosstalk es el traspaso no deseado de una seal de un circuito a otro. EPR (GPR por sus siglas en ingles): Tensin mxima que alcanza la malla del Sistema de Puesta a Tierra de la subestacin respecto a una tierra lejana. Estado higromtrico.- Es la humedad relativa del aire, la relacin entre el vapor de agua realmente contenido en el aire. Estratificacindelsuelo.-Eslaesladisposicinencapasverticalesy horizontales de las rocas sedimentarias. GLOSARIO xviFactor K.- El factor k es un trmino comn en la industria con el que se conoce la cantidad de armnicas producida por una carga dada. Entre mayor sea el factor k, mayor es la presencia de armnicas. Las cargas lineales por ejemplo, tienen un factork=1.LostransformadoresestarndenominadosconunvalordeFactorK pordefinirsucapacidaddetolerarelcaloradicionalporgeneradoporcorrientes armnicas. Factordereflexin.-Enelmodeloheterogneodelasdoscapas,elfactorde reflexin K define los cambios abruptos de la resistividad en la frontera de ambas capas 1 y 2. Este factor de reflexin vara entre los lmites 1 y +1. Un suelo con cambiosextremosenlosvaloresderesistividad,tendrasociadounfactorde reflexincercanoalaunidad.Mientrasqueunsueloconvaloresderesistividad similares tendr asociado un factor de reflexin cercano al cero. Filtro.-Losfiltrossonelementoscuyaimpedanciavaraconlafrecuencia,se utilizan para bloquear o atrapar la energa de los armnicos de tal manera que no fluya por los equipos o que no entre al sistema. Filtroactivo.-Sonaquellosqueempleandispositivosactivos,(porejemplolos transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R L C.) para producircorrientesarmnicasigualesalasqueseencuentranenlacorrientede carga,asegurandoquesutrayectoriasealadesacarlascorrientesarmnicas fuera de la trayectoria del sistema. Filtropasivo.-Sonaquellostiposdefiltrosformadosporcombinacionesserieo paralelodeelementosresistivos(R),inductivos(L)ocapacitivos(C).Son elementos puramente pasivos, usados como circuitos en paralelo en la entrada de los servicios con problemas de generacin de armnicas, evitando de esta manera que entren al sistema de distribucin. Gradiente de potencial: Vector que se encuentra normal a una superficie o curva enelespacioalacualseleestestudiando,enunpuntocualquiera,llmese (x,y),(x,y,z),(tiempo,temperatura),etc.Elgradientenormalmentedenotauna direccin en el espacio segn la cual se aprecia una variacin de una determinada propiedad o magnitud fsica. Granulometra.- Es la medicin de los granos de una formacin sedimentaria y el clculodelaabundanciadeloscorrespondientesacadaunodelostamaos previstos por una escala granulomtrica. Interferencia.- Interferencia es cualquier perturbacin elctrica o electromagntica extraaque(1)tiendeaalterarlarecepcindelassealesdeseadaso(2) produce respuestas indeseables en un circuito o sistema. MalladelSistemadePuestaaTierra:Conjuntodeelectrodoshorizontales,el cualconsisteenunciertonmerodeconductoresdesnudosenterradosenel suelo,proporcionandounatierracomnparaequiposelctricosoestructuras metlicas, usualmente en un rea comn. GLOSARIO xviiMaterial superficial: Material instalado encima del suelo, el cual consiste (sin ser limitativo)enrocatriturada,asfaltooalgnmaterialhechoporelhombre.El materialsuperficial,dependiendodesuresistividad,puedeimpactar significativamenteenlacorrienteatravsdelcuerpoparatensionesdepasoy contacto involucrando los pies de la persona. Potencialdemalla:Mximatensindecontactoquepuedeocurrirenel reticulado de la malla del SPT. El potencial de malla se presenta siempre al centro de la misma. ResistenciaatierradelamalladelSistemadePuestaaTierra:Esla resistenciahmicaentrelamallayunelectrododetierrasremotoderesistencia cero. Resistividadaparentedelsuelo.-Sedenominaresistividadaparente()debido aquesiempresepuedecalcular,solosenecesitaconocerlalocalizacindelos electrodos de prueba, la tensin y la corriente aplicados. Sin embargo la tierra no tieneunaresistividadconstante,laresistividadvaraconlatrayectoriaverticaly horizontal,deestemodo,laresistividadcalculadanorepresentalaverdadera resistividad del suelo, de ah el trmino de resistividad aparente. Resistividaddelsuelo.-Laresistividadelctricaoresistenciaespecficadel suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un rea con seccin transversal y longitud unitarias. RTD.- Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conduccin de los electrones para que, ante unaumentodetemperatura,hayaunaumentodelaresistenciaelctricaque presentan Ruido elctrico en modo comn.- El ruido en modo comn es el ruido elctrico queocurresobretodoslosconductoresdeuncircuitoelctricoenelmismo instante.Estoes,unasealdetensinpresenteentreelpuntodereferenciaa tierra local y cada uno de los conductores de alimentacin incluyendo el neutro. El ruido en modo comn ocasiona que fluya una corriente simultneamente en todos losconductoresdeuncircuito,utilizandogeneralmenteelsistemadepuestaa tierra como trayectoria de retorno para cerrar el circuito. Ruido elctrico en modo normal.- El ruido en modo normal es el ruido elctrico queapareceenlaformadesealesdetensinentreunalneayotrayentre cualquier lnea y neutro. Esta condicin provoca la circulacin de corrientes entre dosconductorescualesquieraquepuedenestaronoaterrizados.Elruidoen modo normal se le conoce tambin como ruido en modo diferencial. SCADA.-Servidordeadquisicindedatosysupervisindecontrol(SCADA,por sussiglaseningles).Mediantelacomunicacindelosservidoresdeadquisicin de datos y supervisin de control con las unidades terminales maestras, se GLOSARIO xviiipuedencontrolarremotamentedistintoselementosprimariosdelasubestacin (interruptores, seccionadores, etc.) SICLE.-ElSistemadeInformacinyControlLocaldeEstacin(SICLE),seusa para conformar el sistema integrado de proteccin, y medida de las subestaciones. Sistemadealimentacinininterrumpida(UPSporsussiglaseningles).-Un UPSesunafuentedesuministroelctricoqueposeeunabateraconelfinde seguir dando energa a un dispositivo en el caso de interrupcin elctrica. Sistemadepuestaatierra(SPT):Comprendeelconjuntodeelementos interconectados,enterradosenelsuelodentrodeunreaespecfica,comoelectrodos horizontales (conductores desnudos), verticales (varillas de tierra) Tensin de contacto metal con metal: Es la diferencia de potencial entre objetos metlicosoestructurasdentrodeunasubestacinquesepresentaatravsdel contacto humano. Tensin de contacto: Diferencia de potencial entre el EPR y el potencial mximo enlasuperficiedelsuelodondeseencuentreunapersonatocandoconunao ambasmanosunaestructurametlicaocualquierelementoconductor directamente unido a la red de tierra. Tensin de paso: Diferencia de potencial mxima que se aplicar a una persona entre sus pies, cuando en el instante de una falla se encuentre caminando en un rea con una diferencia de potencial en la superficie. Prcticamente la tensin de pasoesaquellaqueexisteentredospuntosseparadosunmetrosobrela superficie del suelo. Tensin transferida: Caso especial de tensin de contacto donde una tensin es transferida hacia dentro o hacia fuera de la subestacin. Termocople.- Un termocople bsicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una magnitud fsica en una seal elctrica. Tierra: Conexin conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito elctrico o equipo se conecta a la tierra o a algn cuerpo conductor de dimensin relativamente grande que cumple la funcin de la tierra. Trampadeonda.-Latrampadeondaesunelementoutilizadoparaevitarla suma de armnicos a la seal de transmisin que puedan causar perturbaciones, estconformadoporunabobinaporlacualpasalacorrientealafrecuencia industrial (60 Hz) de la lnea de transmisin, paralelo a esta se encuentra el equipo sintonizadorelcualofreceunaaltaimpedancia,estconstituidopor condensadores, inductancias y resistencias; y en paralelo a la bobina y al equipo sintonizadorseencuentraelequipodeproteccin,elcualprotegelatrampade onda de contra sobretensiones transitorias que puedan ocurrir en ella. ABREVIATURAS Y SMBOLOS xixABREVIATURAS Y SMBOLOS C.Grado Celsius 3IoCorrientesimtricadefallaatierraen la subestacinparaeldimensionamiento del conductor Areatotalencerradaporlaredde tierras, A.Ampere. CA.Corriente alterna. CD.Corriente directa. cm.Centmetro CsFactordedecrementodelacapa superficial, dDimetrodelconductordelarejilla para tierra, DEspaciamientoentreconductores paralelos,DfFactordedecrementoparadeterminar IG. Econtacto70Tensindecontactotolerable para unja persona de 70 kg,Econtacto50Tensindecontactotolerable para una persona de 50 kg,Epaso70Tensin de paso tolerable para una persona de 70 kg,Epaso50 Tensin de paso tolerable para una persona de 50 kg,EsTensindepasosuperficialquepuede experimentarunapersonaconlospies separadosa1mdedistanciaysin hacercontactoconalgnobjeto aterrizado hprofundidaddeenterramientodelos conductoresdelsistemadepuestaa tierra,hsProfundidad de la capa superficial,Hz.Hertz. Ib Magnituddelacorrientequefluye por el cuerpo humano. IB Magnituddelacorrientetolerable por el cuerpo humano. IgCorriente simtrica de la malla,IGMximacorrientequefluyeentreel SistemadePuestaaTierraylatierra circundante(incluyendolacomponente de CD).KFactordereflexinentrediferentes resistividades aparentes del suelo Kg.KilogramoKhFactor de correccin por la profundidad de enterramiento de la malla. KiFactordecorreccinporlageometra de la malla. KiiFactordecorreccinqueajustalos efectosdeconductoresenlaesquina de la malla. KmFactordeespaciamientoparael potencial de la malla. KsFactordeespaciamientoparala diferencia de potencial de paso. KV.Kilovolt L.Longitud. LCLongitudtotaldelconductordelared del sistema de puesta a tierra. LMLongitudefectivadeLC+LRparael potencial de malla. LrLongitud de una varilla de tierra. LRlongitud total de las varillas de tierra. LSLongitudefectivadeLc+LRparala diferencia de potencial de paso. LTLongitud efectiva total del conductor del sistemadepuestaatierra,incluyendo el de la red y las varillas de tierra. LxLongitudmximadelconductorde tierras en la direccin X. LyLongitudmximadelconductorde tierras en la direccin Y.m.Metro mA.Miliampere. mm.Milmetro. mm2.Milmetro cuadrado. nFactorgeomtricocompuestoporna, nb, nc y nd. RB Resistencia del cuerpo humano. reactanciaentreelvalordela resistencia del sistema. Rf Resistencia a travs de la tierra entre el piedelapersonaylareddetierras energizada. RgResistenciadelsistemadepuestaa tierra. SB Constanteempricarelacionadaconla energatoleradaporuncierto porcentaje de poblacin dada. SfFactordedivisindelacorrientede falla. tcDuracindelacorrientedefallapara dimensionarelconductordepuestaa tierra, tfDuracindelacorrientedefallapara determinar el factor de decremento. tsDuracindelaexposicinalflujode corrienteparadeterminarlacorriente del cuerpo permisible. V.Volt. VARSVolts Amperes Reactivos. VmPotencialdelamallaenelcentrode esta VTH Tensin de Thevenin. X/R.Cocientedelresultadodedividirel valordelareactanciaentreelvalorde la resistencia. Z.Impedancia. ZTH Impedancia equivalente de Thevenin. Resistividad de diseo. sResistividaddelacapasuperficialde roca triturada.Ohm. xx SIGLAS Y ACRONIMOS xxi SIGLAS Y ACRNIMOS ANCE Asociacin de Normalizacin y Certificacin. ANSIAmerican National Standards Institute. CCLConsola de Control Local. CFEComisin Federal de Electricidad. CIConsola de Ingeniera. CLYFCompaa de Luz y Fuerza del Centro. GPRGround Potential Rise. IEEEInstitute of Electrical and Electronics Engineers. NMXNorma Mexicana. NOMNorma Oficial Mexicana. NRFNorma de Referencia. PCPersonal Computer. PCMProteccin, Control y Medicin. RCPReanimacin Cardiopulmonar. RMSRoot Mean Square. S.E. Subestacin. SCADASupervisory Control And Data Adquisition. SICLESistema de Informacin y Control Local de Estacin. SPTSistema de Puesta a Tierra. ULUnderwriters Laboratories.

UPSUninterruptible Power Supply. xxii OBJETIVO E INTRODUCCIN 1 OBJETIVO Realizar la propuesta de diseo del Sistema de Puesta a Tierra de la Subestacin LasFresasBancoI,ascomoejecutarlasmedicionesderesistenciaatierradel arreglo instalado. INTRODUCCIN Lossistemasdepuestaatierrasondeespecialimportanciaparael funcionamiento de los sistemas elctricos de potencia desde el punto de vista de laseguridaddelpersonalquelaboraensubestacioneselctricas,centrales generadoras etc. Laprimeraguaparaeldiseodesistemasdepuestaatierradesubestaciones elctricas,basadaprincipalmenteenlaexperienciayenmodelosanalticos simples, apareci en 1961 como el estndar 80 de la ANSI/IEEE. Este documento, juntoconsustresrevisionesprincipalesen1976,1986y2000,hasidola herramienta principal para el anlisis y diseo de los sistemas de conexin a tierra para subestaciones. Elestndar80proporcionaloscriteriosdediseoyunaguadeloquesedebe considerar en el proceso de diseo de los sistemas de conexin a tierra. Adems deesto,proporcionalasecuacionesdediseopararealizarlosclculos necesariosparaobtenerlosparmetrosindicativosdelaseguridaddelareddel Sistema de Puesta a Tierra diseado. Estanormaserlabaseparalapropuestadediseodelareddetierrasdela SubestacinLasFresasBancoI.Seadoptaestanormadebidoaquelasdos normasmexicanasvigentes(NRF-011-CFE[2],enelcasodeCFE,yManualde diseo de subestaciones [11], en su captulo 5 de diseo de redes de tierra, en el caso de Compaa de Luz y Fuerza del Centro) fueron realizadas tomando como base los criterios y fundamentos del estndar 80 de IEEE [1]. Es necesario mencionar que existen algunas consideraciones particulares que las normasmexicanasrealizanenlasformulacionesdediseo,conrespectoal estndar 80 de IEEE [1], por lo cual en el punto 3.5 del captulo III de este trabajo seefectaunacomparacinderesultadosobtenidosutilizandoelprocedimiento dediseodeestndar80 de IEEE[1],NRF-011-CFE[2],ymanualde diseode subestaciones[11]afindeidentificarlasprincipalesdiferenciasentrelastres normas. Conelobjetivodeellectorobservedemaneraprcticaelimpactoquetienen algunosparmetrosdediseosobrelosvaloresindicativosdelaseguridaddel diseoelaborado,enelpunto3.4delcaptuloIIIsemuestranalgunasgrficas obtenidasconlaayudadeunahojadeclculoconfiguradaconlasfrmulasde diseo del estndar 80 de IEEE [1]. OBJETIVO E INTRODUCCIN 2 La parte prctica de este trabajo est cubierta con el desarrollo de la medicin de resistenciaatierradelareddetierrasdelasubestacinLasFresasbancoI, utilizando el mtodo de cada de potencial descrito en la norma NMX-J-549-ANCE-2005[3],conelobjetodecompararelvalorcalculadoconelvalormedidoy verificarquelaresistenciaatierraseamenora1ohmparacumplirconlos requerimientos del estndar 80 de IEEE [1]. A continuacin se enlista un resumen del contenido de este trabajo: Este trabajo est dividido en cinco captulos, en el captulo I se desarrolla el marco terico, donde se abordan los principios fundamentales de los sistemas de puesta atierra,sedescribesufuncinylascondicionesdeseguridadqueconducena definir las ecuaciones bsicas que se aplicaran en el proceso de diseo de la red del sistema de puesta a tierra. EnelcaptuloIIsepresentalateoraydosmtodosparamedirlaresistividad aparente del suelo, tambin se mencionan los criterios para la interpretacin de los valoresmedidos,ycomoseobtieneelvalorderesistividadausarseenlaetapa de diseo de la red de tierras. En este captulo tambin se describe el mtodo de cada de potencial, usado para medirlaresistenciaatierradesubestacionesconvencionales,deacuerdoconlo descrito en la norma NMX-J-549-ANCE-2005 [3]. EnelcaptuloIIIseexplicalametodologadeclculoquesirvedebaseparael diseodelSistemadePuestaaTierradeunasubestacinelctrica,conformea los lineamientos que indica el estndar 80 de IEEE [1]. Asmismo,sedesarrollaeldiseodelareddetierrasdelasubestacinLas Fresas Banco I. Otro punto a desarrollar es una comparacin de resultados obtenidos utilizando el procedimientodediseodeestndar80deIEEE[1],NRF-011-CFE[2],ydel manual de diseo de subestaciones [11] El impacto que tienen algunos parmetros de diseo sobre los valores indicativos de la seguridad del diseo elaborado ser mostrado a travs de algunas grficas obtenidasconlaayudadeunahojadeclculoconfiguradaconlasfrmulasde diseo del estndar 80 de IEEE [1]. Otro tema a tratar en este captulo III ser el de los diferentes tipos de conectores yaccesoriosusadoscomnmenteenlasredesdetierra,ascomolas consideraciones para su seleccin. Algunoscriteriosdediseoyesquemasdepuestaatierraparalosequiposde instrumentacin y control de la caseta de control de subestaciones convencionales se muestran en el punto 3.7. OBJETIVO E INTRODUCCIN 3 Otro rubro que se toca en el punto 3.8 del captulo III es el papel que juega la red detierrasdelasubestacinantelapresenciadearmnicos.Secitanlas principales fuentesdecorrientesarmnicas,losprincipalesefectosadversosque causan sobre los equipos, y finalmente se mencionan recomendaciones prcticas para disminuir su impacto. EnelcaptuloIVsepresentaelreportedelasmedicionesderesistenciaatierra realizadas a la subestacin Las Fresas Banco I. Finalmente,enelcapituloVsemuestraunpresupuestobasadoenprecios unitarios de la ejecucin de las mediciones de resistencia a tierra a la subestacin Las Fresas Banco I. 4CAPTULO I 5CAPTULOI:PRINCIPIOSFUNDAMENTALESDELSISTEMADEPUESTAA TIERRAENUNASUBESTACINELCTRICADEPOTENCIA CONVENCIONAL 1.1 DEFINICIONES [1], [4], [19] ParamejorcomprensindelostrminosqueseexponenenestecaptuloI,a continuacin se muestran algunos de los conceptos que ms aparecern a lo largo de este trabajo: Conector:Losconectoressonloselementosquepermitenunirtodoel sistemadePuestaaTierraydebentenerlacapacidaddesoportaraltas corrientes, esfuerzos electromecnicos y sobrecalentamientos. EPR(GPRporsussiglaseningles):Tensinmximaquealcanzala malladelSistemadePuestaaTierradelasubestacinrespectoauna tierra lejana. Ver figura 1.2. Gradiente de potencial: Vector que se encuentra normal a una superficie o curva en el espacio a la cual se le est estudiando, en un punto cualquiera, llmese(x,y),(x,y,z),(tiempo,temperatura),etc.Elgradientenormalmente denota unadireccin enel espaciosegnlacualseaprecia unavariacin de una determinada propiedad o magnitud fsica. [19]. Ver figura 1.2. MalladelSistemadePuestaaTierra:Conjuntodeelectrodos horizontales, el cual consiste en un cierto nmero de conductores desnudos enterradosenelsuelo,proporcionandounatierracomnparaequipos elctricos o estructuras metlicas, usualmente en un rea comn. Ver figura 1.1. Materialsuperficial:Materialinstaladoencimadelsuelo,elcualconsiste (sinserlimitativo)enrocatriturada,asfaltooalgnmaterialhechoporel hombre.Elmaterialsuperficial,dependiendodesuresistividad,puede impactarsignificativamenteenlacorrienteatravsdelcuerpopara tensiones de paso y contacto involucrando los pies de la persona. Ver figura 1.5. Potencialdemalla:Mximatensindecontactoquepuedeocurrirenel reticulado de la malla del SPT. El potencial de malla se presenta siempre al centro de la misma. Ver figuras 1.2 y 1.4. ResistenciaatierradelamalladelSistemadePuestaaTierra:Esla resistenciahmicaentrelamallayunelectrododetierrasremotode resistencia cero. Ver figura 1.4. Resistividad del suelo: La resistividad elctrica o resistencia especfica del suelo,eslaresistenciadeunvolumenquetengaunreaconseccin transversal y longitud unitarias, como se ilustra en la figura 1.6. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 6Sistemadepuestaatierra(SPT):Comprendeelconjuntodeelementos interconectados, enterrados en el suelo dentro de un rea especfica, comoelectrodoshorizontales(conductoresdesnudos),verticales(varillasde tierra), etc. Ver figura 1.1. Tierra: Conexin conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito elctrico o equipo se conecta a la tierra o a algn cuerpo conductordedimensinrelativamentegrandequecumplelafuncindela tierra. Tensindecontacto:DiferenciadepotencialentreelEPRyelpotencial mximo en la superficie del suelo donde se encuentre una persona tocando conunaoambasmanosunaestructurametlicaocualquierelemento conductor directamente unido a la red de tierra. Ver figura 1.2. Tensindepaso:Diferenciadepotencialmximaqueseaplicarauna personaentresuspies,cuandoenelinstantedeunafallaseencuentre caminandoenunreaconunadiferenciadepotencialenlasuperficie. Prcticamentelatensindepasoesaquellaqueexisteentredospuntos separados un metro sobre la superficie del suelo. Ver figuras 1.2 y 1.4. Tensintransferida:Casoespecialdetensindecontactodondeuna tensinestransferidahaciadentroohaciafueradelasubestacin.Ver figura 1.4. Tensin de contacto metal con metal: Es la diferencia de potencial entre objetos metlicos o estructuras dentro de una subestacin que se presenta a travs del contacto humano. Ver figura 1.4. Figura 1.1 Isomtrico mostrando un Sistema de Puesta a Tierra conformado por cuatro mallas, indicando sus principales elementos. CAPTULO I 7 Figura 1.2 Dibujo en tres dimensiones mostrando los gradientes de potencial en la superficie del suelo originados por la inyeccin de una corriente al arreglo de la figura 1.1. Tambin se ilustran algunos conceptos mencionados previamente. Figura 1.3 Dibujo en planta mostrando los gradientes de potencial en la superficie del suelo originados por la inyeccin de una corriente al arreglo de la figura 1.1. Perfil de potencial (% Referencia GPR)Distancia desde el origen del perfil (m)GPRPotencial de mallaTensin de contactoGradiente depotencialTensin de pasoPasos de 1 m.Eje Y(m)Eje X (m)Perfil de potencial (% Referencia GPR)PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 8 Figura 1.4 Alzado mostrando las diferencias de potencial riesgosas. [1] Figura 1.5 Alzado mostrando la representacin de la capa de material superficial usada para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas. Figura 1.6. Diagrama simplificado para entender el concepto de resistividad del suelo, como la resistencia de un volumen con seccin transversal A y longitud L unitarias. [5]. Conductordel SPT0.10 m0.50 mConductor de la malla del sistema de puesta a tiierraCapade material superficial shsCAPTULO I 91.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA [1] Durante condiciones tpicas de falla a tierra, el flujo de corriente a tierra producir gradientesdepotencialdentroyalrededordeunasubestacinoinstalacin elctrica(verfiguras1.2y1.3).Amenosquesetomen precaucionesapropiadas eneldiseo,losgradientesdepotencialmximosalolargodelasuperficiedel terreno pueden ser de suficiente magnitud durante las condiciones de falla a tierra como para poner en peligro a una persona que se encuentre en el rea. Adems, se pueden desarrollar diferencias de potencial peligrosas entre las estructuras de equipos que estn aterrizados y la tierra cercana. Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por electrocucin son: Corrientesdefallaatierrarelativamentealtasenelreadelsistemade tierra y su resistencia con respecto a una tierra remota.

Laresistividaddelsueloyladistribucindelascorrientesquehacen posiblesaltosgradientesdepotencialenlospuntosdelasuperficiedel terreno. La presencia de un individuo en un punto, tiempo y posicin determinados en los cuales el cuerpo haga un puente entre dos puntos con una diferencia de potencial alto. La ausencia de una resistencia de contacto suficiente u otra resistencia en serie para limitar la corriente a travs del cuerpo a un valor seguro bajo las circunstancias anteriores. La duracin de la falla y el contacto con el cuerpo, y por lo tanto, el flujo de corrienteatravsdelcuerpohumanoduranteuntiemposuficientepara ocasionar dao al nivel de corriente dado. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 101.3 CONSIDERACIONES SOBRE SEGURIDAD [1] 1.3.1La seguridad como elemento primordial La seguridad elctrica es el asunto predominante en el diseo elctrico. Cualquier otroaspectodeberaserdeimportanciasecundaria.Laseguridadest bsicamentegobernadaporloscdigoselctricos(normas)yestndares adoptadosporlasautoridadesgubernamentales,entidadescomerciales,yporel buen juicio de parte del diseador. Es aqu donde el diseador juega un papel importante en la seleccin de la mejor alternativaparacumplirconlosrequisitosdeseguridadnormativos.Cuandoel diseadorseencuentreconmsdeundiseoalternativoqueseaseguro,se deberadoptaraquelqueseamarcadocomoobligatorioporlaautoridad gubernamental que tenga jurisdiccin al respecto. El siguiente en prioridad deber serelquenosiendounrequerimientogubernamental,constituyeunestndar interno o las indicaciones del fabricante o suministrador. En principio, un diseo seguro de conexin a tierra tiene dos objetivos: Proporcionar los medios para conducir las corrientes elctricas a tierra bajo condiciones normales y de falla sin exceder algn lmite de operacin o de los equipos, o afectar la continuidad del servicio. Asegurarqueunapersonaqueseencuentreenlavecindaddeuna instalacin puesta a tierra no sea expuesta al peligro de electrocucin. Enunaaproximacinprctica,eneldiseosegurodeunsistemadepuestaa tierra se debe controlar la interaccin de 2 sistemas de tierra: Latierraintencional,consistenteenelectrodosdetierraenterradosenel suelo Latierraaccidentaltemporal,queseestableceatravsdeunapersona expuestaaungradientedepotencialenlascercanasdelainstalacin puesta a tierra. Lagentegeneralmenteasumequecualquierobjetopuestoatierrapuedeser tocado seguramente. Una resistencia baja a tierra no es en s una garanta de seguridad, no existe una relacin simple entre la resistencia del sistema de puesta a tierra en conjunto y el potencial mximo de choque que pueda sufrirse. Unasubestacindebajaresistenciaatierrapuedeenocasioneshacerse peligrosa,porlocontrario,subestacionesdealtaresistenciapuedenhacerse seguras por medio de diseos elaborados cuidadosamente. CAPTULO I 111.4 EFECTOS DE LA CORRIENTE [1] Losefectosdeunacorrienteelctricaquepaseatravsdepartesvitalesdel cuerpohumano,dependendeladuracin,magnitud,yfrecuenciadesta corriente.Laconsecuenciamspeligrosaantetalesefectosesunaafeccindel coraznconocidacomofibrilacinventricularconlaresultanteparlisisdela circulacin de sangre. 1.4.1Efecto de la frecuencia Lossereshumanossonmuyvulnerablesalosefectosdelacorrienteelctricaa frecuencias de 50 o 60 Hz. Las corrientes de aproximadamente 0.1 A pueden ser letales.Losreglamentosgeneralmenteestablecenqueelcuerpohumanopuede tolerar una corriente ligeramente mayor a 25 Hz y aproximadamente 5 veces ms grande en corriente directa. A frecuencias de 3000 a 10,000 Hz, se pueden tolerar corrientes an mayores. En algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy elevadas debidas a descargas atmosfricas. 1.4.2Efecto de la magnitud y duracin Losefectosfisiolgicosmscomunesdelacorrienteelctricaenelcuerpo, establecidos en orden ascendente en cuanto a la magnitud de la corriente, son la percepcin,contraccinmuscular,inconsciencia,fibrilacindelcorazn,paro respiratorio y quemaduras. Unacorrientede1mAgeneralmentesereconocecomoelumbraldela percepcin, esto es, la magnitud de una corriente a la cual una persona es capaz dedetectarunaligerasensacindecosquilleoensusmanosodedosdebidoal paso de la corriente. Lascorrientesde1a6mA,conocidasgeneralmentecomocorrientesdesoltar, aunque sea desagradable tolerarlas, por lo regular no impiden la capacidad de una persona que sostiene un objeto energizado para controlar sus msculos y soltar el objeto. Un nivel promedio para la corriente de soltar, proporcionada por Dalziel, es de10.5mAparamujeresy16mAparahombres,losnivelesde6y9mAse establecen como los valores respectivos de la corriente de umbral. En un rango de 9 a 30 mA, las corrientes pueden llegar a ser dolorosas y pueden hacer difcil o imposible soltar los objetos energizados asidos con las manos. Para corrientesanmayoreslascontraccionesmuscularespodrandificultarla respiracin. A excepcin de los casos de inhibicin respiratoria debida a corrientes mucho ms grandes, estos efectos no son permanentes y desaparecen cuando la corriente es interrumpida a menos de que la contraccin sea muy severa y la respiracin se detengaporvariosminutos.Anenesoscasosgeneralmenterespondenala reanimacin cardiopulmonar (RCP). PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 12Noeshastamagnitudesdecorrienteenelrangode60a100mAenquela fibrilacinventricular,unparocardiaco,olainhibicindelarespiracin,pueden provocardaosseveroseinclusolamuerte.Unapersonaentrenadaen resucitacincardiopulmonar(RCP)tendraqueadministrarRCPhastaquela vctima pudiera ser atendida en una instalacin mdica. Laintencindeconocerlosefectosdelascorrientesenelcuerpohumanoes determinarelumbraldelascorrientesqueproducenfibrilacinparadisearun Sistema de Puesta a Tierra en donde los valores se mantengan por debajo de ste umbral. LacorrientedemagnitudIByrangodeduracin0.03a3segundosqueno produce fibrilacin, est relacionada con la energaabsorbida por el cuerpo y se describe en la siguiente ecuacin: s2B Bt ) (I S =1.1 Donde: IBMagnitud RMS de la corriente que fluye por el cuerpo tsDuracin de la exposicin al flujo de corriente, en segundos SBConstanteempricarelacionadaconlaenergatoleradaporuncierto porcentaje de la poblacin dada. 1.4.3Importancia de la eliminacin rpida de fallas Considerando la importancia de la duracin de la falla implcita como un factor de exposicin a los accidentes, la eliminacin rpida de fallas a tierra es aconsejable por dos razones: Laprobabilidaddeelectrocucinsereduceenormementealeliminar rpidamentelafalla,encomparacinalassituacionesenlascualeslas corrientesdefallapuedenpersistirporvariosminutosoposiblemente horas. Pruebas efectuadas y la experiencia han demostrado que la posibilidad de dao severo o la muerte se reduce enormemente si la duracin de un flujo de corriente a travs del cuerpo es muy breve. Elvalordecorrientepermitidosepuedebasarporlotantoeneltiempode activacin de los dispositivos primarios de proteccin, o de los de la proteccin de respaldo. Unincentivoadicionalparausarlostiemposdeinterrupcinmenoresa0.5sse derivadelainvestigacindeBiegelmeieryLee.Suinvestigacinproporciona evidenciadequeelcorazndeunserhumanosevuelvemssusceptibleala fibrilacin ventricular cuando el tiempo de exposicin a la corriente se aproxima al CAPTULO I 13Latido del corazn, pero el peligro es mucho menor si el tiempo de exposicin est en el intervalo de 0.06 a 0.3 s. 1.5 LMITES DE CORRIENTE TOLERABLE [1] Lamagnitudyduracindelacorrientequecirculaporelcuerpohumanodeber sermenorqueaquellaquecausefibrilacinventricular.Laduracinparalacual una corriente de 50 o 60 Hz. puede ser tolerada por la mayora de las personas, est relacionada con su magnitud, de acuerdo con la ecuacin 1.1. De estudios realizados se supone que el 99.5 % de las personas pueden soportar de manera segura, sin fibrilacin ventricular, el paso de una corriente en magnitud y duracin, determinada por la siguiente frmula: sBtKI =1.2 Donde, en los trminos previamente definidos por la ecuacin 1.1: BS K = La energa que puede soportar el 99.5% de las personas con un peso aproximado de 50 kg (110 lb) da como resultado un valor de SB=0.0135, entonces K50=0.116 y la frmula para la corriente permisible en el cuerpo es: sBt0.116I =1.3 Laconstante0.0135esunaconstantedeenerga,derivadaempricamente. (Dalziel encontr que la energa de electrocucin a la que sobreviven el 99.5 % de las personas con un peso de 50 kg. tiene un valor de 0.0135). Nteseenestaecuacinquelosresultadospara1seg.Son116mAypara0.1 seg. 376 mA. Para las personas con peso aproximado de 70 Kg. (155lb) se ha determinado un valor de SB=0.0246 Y K70=0.157 entonces la formula queda: sBt0.157I = 1.4 Esnecesarioparaunabuenacomprensintomarencuentalosdiversoscasos quepuedanpresentarsealhacercontactoconsuperficiesadiferentepotencial. Lasdiferenciasdepotencialtolerablessedeterminandeacuerdoconlos conceptos de tensiones de paso y de contacto. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 141.6 CIRCUITO DE ELECTROCUCIN ACCIDENTAL [1] 1.6.1Resistencia del cuerpo humano Para la corriente directa y para la corriente alterna a frecuencia nominal, el cuerpo humanopuederepresentarseporunaresistencia.Estaresistenciaestamedida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies o entre un pie y el otro. En cualquiera de los dos casos, el valor de esta resistencia es difcil de establecer. Unvalorderesistenciaparaelcuerpohumanoesaproximadamentede300, aunque se ha determinado por estudios un rango entre 500 y 3000 . Paraaltastensionesycorrientes(arribade1KVy5A),laresistenciadisminuye por dao o perforacin de la piel en el punto de contacto. Para fines de clculo se han hecho las siguientes consideraciones: La resistencia de contacto para las manos y los zapatos es igual a cero. Sehaseleccionadoelvalorde1000pararepresentarelvalordela resistenciadelcuerpohumano,deunamanoaambospies,entremanoy mano o entre un pie y el otro, es decir: RB = 1000 1.6.2Circuito equivalente accidental Usandoelvalordelacorrientetolerableporelcuerpohumanoylasconstantes apropiadas del circuito, es posible determinar la tensin tolerable entre dos puntos crticos de contacto, como se muestra en la figura 1.7. Para el anlisis del circuito equivalente se aplicara la siguiente notacin: Ib Corriente en el cuerpo (el cuerpo es parte del circuito accidental) (A) RA Resistencia efectiva total del circuito accidental () VA Tensin total efectiva en el circuito accidental (paso o contacto) (V) CAPTULO I 15UIIIHRFZ(Sistema)Red de la subestacinfgbB Figura 1.7. Exposicin a la Tensin de contacto [1] La corriente tolerable por el cuerpo humano IB definida por la ecuacin 1.3 o 1.4 es usada para definir la tensin total efectiva del circuito accidental (tensin de paso o decontacto).Latensintotalefectivatolerabledelcircuitoaccidentalesaquella que producir el flujo de corriente en el cuerpo, Ib, igual a la corriente tolerable por el cuerpo humano, IB. La figura 1.7 muestra la corriente de falla If, la cual ser inyectada a tierra a travs delsistemadepuestaatierradelasubestacinyunapersonatocandola estructura metlica H. En el circuito de la figura 1.8 se muestran varias impedancias. La terminal H es un puntoenelsistemaqueestaalmismopotencialdelaredyporelcualfluyela corrientedefallaylaTerminalFesunreapequeasobrelasuperficiedela tierra, donde se encuentra la persona haciendo contacto con ambos pies. La corriente Ib fluye desde H, a travs del cuerpo de la persona hacia la tierra en F. El teorema de Thevenin permite representar estas dos terminales (H, F), en una redcomolamostradaenla figura1.8yelcircuitoelctrico mostrado enla figura 1.9. Latensinde TheveninVTh, eslatensinentrelasterminalesH yFcuando una personanoestpresenteenesepunto.LaimpedanciadeTheveninZTh,esla impedanciadelsistemavistadesdelospuntosHyF,conunafuentedetensin delsistemacortocircuitada.LacorrienteIbatravsdelcuerpodeunapersona haciendo contacto con H y F est dada por: B ThThbR ZVI+=1.5 PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 16HRZ(Sistema)RedTierraRealFR2Rmgf Figura 1.8. Impedancia para el circuito de la Tensin de contacto [1] R= Resistencia del cuerpoVTensin de contactoTerminal HTerminal F = Rf2thZthBVthZth Figura 1.9. Circuito de la Tensin de Contacto [1] Donde RB es la resistencia del cuerpo humano en . Lafigura1.10muestralacorrientedefallaIf,lacualserinyectadaatravsdel sistema de puesta a tierra de la subestacin. La corriente Ib fluye desde un pie F1a travs del cuerpo de una persona hacia el otro pie F2. Las terminales F1 y F2 son lasreassobrelasuperficiedelatierradondelospiesestnhaciendocontacto conlatierrarespectivamente.ElteoremadeTheveninpermiterepresentarestas dos terminales (F1, F2), en una red como la mostrada en la figura 1.11 La tensin deTheveninVTheslatensinentrelasterminalesF1yF2cuandolapersonano est presente en ese punto. LaimpedanciadeTheveninZTHeslaimpedanciadelsistema,vistadesdelos puntos F1 y F2, con la fuente de tensin del sistema cortocircuitada. La corriente Ib a travs del cuerpo de una persona est dada por la expresin 1.5. CAPTULO I 17UIIFZ(Sistema)Red de la subestacinIfgb1F2 Figura 1.10. Exposicin a la Tensin de paso [1] R= Resistencia del cuerpoVTensin de pasoTerminal F = 2Rf

thZthBVthZth1Terminal F2 Figura 1.11. Circuito de la Tensin de Paso [1] La impedancia equivalente de Thevenin ZTh para la tensin de contacto del circuito accidental ser: 1.6 Y para la tensin de paso del circuito accidental: f Th2R Z =1.7 Donde: Rf eslaresistenciadeunpie(conlapresenciadelSPTdelasubestacin ignorado) en . 2RZfTh =PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 18Ntese que la resistencia del pie no es la resistencia del pie de la persona, es la resistencia de la tierra debajo del pie. La resistencia del pie (Rf) se define como la resistencia a travs de la tierra entre el pie de la persona y el SPT energizado. Hay una gran porcin de la resistencia delpieconcentradaenelsuelocercanoalpie,porloqueparapropsitos prcticos, el efecto de la configuracin del SPT en la resistencia del pie se ignora. Comoresultadodeesto,laresistenciadelpieaserusadaparadeterminarla tensinmximaaceptabledepasoycontactoesunafuncinsolamentedela resistividad del terreno cerca de la superficie de la tierra. Parapropsitodeanlisisdecircuitos,elpiedelcuerpohumanoseconsidera como un disco metlico conductivo, y la resistencia de contacto de los calcetines y zapatos,etc.sondespreciables.Laresistenciaatierradeundiscometlicode radio b (m) sobre la superficie de un terreno homogneo, de resistividad en -m est dada por Laurent, siendo esta: 4bRf =1.8 Tradicionalmente,eldiscometlicorepresentandoalpieestomadocomouna placacircularderadio0.08m.Bajoestemodelo,laresistenciadelospiesen trminos de la resistividad del terreno cerca de la superficie es aproximadamente 3. Si la resistencia mutua entre los dos pies se desprecia, entonces: Para la tensin de contacto del circuito accidental: ( ) 1.5 3 0.5 ZTh= =1.9 ZTh es la resistencia en paralelo de los pies. Para la tensin de paso del circuito accidental: ( ) 6 3 2 ZTh= = 1.10 ZTh es la resistencia en serie de los pies. Basados en las investigaciones, las ecuaciones 1.6 y 1.7 son conservadoras. Latensintotalequivalentepermisible(tensindecontactoytensindepaso), usando las ecuaciones 1.9 y 1.10 son: ) 1.5 (R I EB B contacto+ =1.11 Y: ) 6.0 (R I EB B paso+ =1.12 CAPTULO I 191.7 EFECTO DE UNA CAPA DELGADA DE MATERIAL SUPERFICIAL [1] La ecuacin 1.8 est basada en la suposicin de un suelo uniforme. Una capa de 0.08ma0.15mdematerialdealtaresistividad,s,comograva,amenudose distribuye en la superficie de la tierra arriba de la red del sistema de puesta a tierra paraincrementarlaresistenciadecontactoentreelsueloylospiesdelas personas en la subestacin, como se muestra en la figura 1.12. La profundidad superficial relativa del material superficial, comparada con el radio equivalentedelospies,excluyelasuposicindeunaresistividaduniformeenla direccin vertical cuando se calcula la resistencia de los pies. Paraunapersonaenelreadelasubestacin,sepuedeasumirelmaterial superficial de extensin ilimitada en direccin lateral. Lacorrienteatravsdelcuerposedisminuirconsiderablementeconlaadicin del material aislante por la gran resistencia de contacto entre la tierra y los pies.La reduccin depende de los valores relativos de las resistividades del suelo y del material superficial, as como del grosor de dicho material superficial. La ecuacin 1.13 proporciona el valor de Cs, el cual es considerado como un factor correctivoparacalcularlaresistenciaefectivadelospiesenlapresenciadeun grosor finito de material superficial, hs. 1.13 Figura 1.12. Alzado mostrando la representacin de la capa de material superficial usada para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas. 0.10 m0.50 mConductor de la malla del sistema de puesta a tiierraCapade material superficial shs+|||

\| =0.09 2h1 0.091 CsssPROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 201.8 CRITERIO DE TENSIONES DE SEGURIDAD [1] Laseguridaddeuna personadepende delaprevencin delacantidadcrticade energa absorbida antes de que la falla se elimine y el sistema sea desenergizado. Loslmitesmximosdetensindecualquiercircuitoaccidentalnodeberan exceder los lmites definidos a continuacin. 1.8.1Tensin de paso La tensin de paso est definida como: La diferenciade potencialmximaquese aplicarauna personaentresuspies, cuandoenelinstantedeunafallaseencuentrecaminandoenunreaconuna diferencia de potencial en la superficie. Prcticamentelatensindepasoesaquellaqueexisteentredospuntos separados un metro sobre la superficie del suelo. Para la tensin de paso el lmite es: B f B pasoI ) 2R (R E + =1.14 Para personas de 50 Kg: ( )ss s pasot0.116 6C 1000 E50+ =1.15 Para personas de 70 Kg: ( )ss s pasot0.157 6C 1000 E70+ =1.16 Donde:

s resistividaddelterreno(setomacomo3000-mcuandoseusaroca triturada). ts Duracin de la exposicin al flujo de corriente, en segundos. CAPTULO I 211.8.2Tensin de contacto La tensin de contacto est definida como: La diferencia de potencial entre el EPR y el potencial mximo en la superficie del suelodondeseencuentreunapersonatocandoconunaoambasmanosuna estructura metlica o cualquier elemento conductor directamente unido a la red de tierra. La ecuacin que define el valor lmite est dada como: BfB contactoI )2R(R E + = 1.17 Para personas de 50 Kg: ( )ss s contactot0.116 1.5C 1000 E50+ =1.18 Para personas de 70 Kg: ( )ss s contactot0.157 1.5C 1000 E70+ = 1.19 Donde:

sResistividad del material de la capa superficial, en -m. ts Duracin de la exposicin al flujo de corriente, en segundos. CsFactor de reduccin por degradacin del valor nominal de la resistividad de la capa superficial. 22CAPTULO II 23CAPTULOII:RESISTIVIDADAPARENTEDELSUELOYPRINCIPIOSDE RESISTENCIAATIERRAPARASUBESTACIONESELCTRICAS CONVENCIONALES 2.1RESISTIVIDAD DEL SUELO [4] La resistencia que presenta un terreno est en funcin de la resistividad del mismo ydelasdimensionesylaformadelelectrodo,yaunqueseconsiderelatierra comounconductordeilimitadaconductanciaporsusgrandesdimensiones,no puede asumirse que las "conexiones" que a ella se efecten mediante electrodos (conseguidas de una forma bien distinta a la que se utiliza de manera comn, y en dondefaltalapresinexternaentrelosdosmediosainterconectar)tenganesa mismapropiedad,yaquecualquieraquesealaformaquepresenten,ofrecern una resistencia definida al paso de la corriente y, en muchos casos, resultar difcil obtener una puesta a tierra de baja resistencia. Comodefinicin,laresistividadelctricaoresistenciaespecficadelsuelo,esla resistenciadeunvolumenquetengaunreaconseccintransversalylongitud unitarias, como se ilustra en la figura 2.1. Figura 2.1. Diagrama simplificado para entender el concepto de resistividad del suelo, como la resistencia de un volumen con seccin transversal A y longitud L unitarias [5]. De la ecuacin: AL R = 2.1 Despejando: m ohms ohmsLAR = = =mm2 2.2 PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 24Donde: =Resistividad del suelo en Ohms-metro (-m) R =Resistencia en Ohms () A =rea de la seccin transversal en m2 L =Longitud en m. 2.2FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO [4] Laconductividadelctricadelosmaterialesqueconstituyenlasuperficiedela tierra es muy baja comparada con la alta conductividad de los metales. Estoseexplicaalanalizarlacomposicinypropiedadesdelsuelo.Engeneral, existen dos elementos principales en la tierra, xido de silicio y xido de aluminio, que en realidad son excelentes aisladores, y la conductividad de la tierra se debe en gran medida a las sales y humedad contenidas en estos aisladores.Debido a esto, la tierra se considera como un aislador imperfecto. No obstante estas condiciones, el suelo puede conducir una cantidad de corriente considerabledebidoaquelaseccintransversaldesteessuficientemente grande, y prcticamente se puede decir que no presenta limitaciones. Todo ello hace que la resistividad sea muy variable de un lugar a otro an dentro de un mismo sitio. En general, los factores que modifican la resistividad del terreno pueden resumirse en los siguientes: La composicin. El estado higromtrico. Es la humedad relativa del aire, la relacin entre el vapor de agua realmente contenido en el aire. La granulometra. Es la medicin de los granos de una formacin sedimentaria y el clculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaos previstos por una escala granulomtrica. Paracuestionesderesistividad,tambinesdeintersobtenerlas caractersticashigroscpicas(absorcinyderetencindelagua)delos granos en cuestin. CAPTULO II 25La compactacin. La compactacin de suelos es el proceso artificial por el cual las partculas desuelosonobligadasaestarmsencontactolasunasconlasotras, medianteunareduccindelndicedevacos,empleandomedios mecnicos,locualsetraduceenunmejoramientodesuspropiedades ingenieriles. El grado de compactacin altera el valor de la resistividad, debido al grado deunindelosgranos,cuandolacompactacindelterrenoesgrande,la resistividad disminuye. Latemperatura.Laresistividaddelterrenoaumentaaldisminuirla temperatura, como se aprecia en la figura 2.2. Figura 2.2 Resistividad del suelo en funcin de la temperatura. Temperatura en grados centigradosResistividad del suelo en ohm-metroMarga Arcillosa15.2 % de humedadPROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 26 1Enqumica,laconcentracindeunadisolucineslaproporcinorelacinquehayentrelacantidadde soluto y la cantidad de disolvente, donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente la sustancia que disuelve al soluto, y la disolucin es el resultado de la mezcla homognea de las dos anteriores. Las sales solubles y su concentracin, como se muestra en la figura 2.3 (Al aumentar la salinidad del terreno, disminuye la resistividad). Figura 2.3. Resistividad del suelo en funcin de la concentracin1 de sales disueltas [4]. El contenido de sales produce una menor resistividad intergranular, lo cual permite circular corrientes con mayor facilidad y adems, la sal (NAcl) es un material que absorbeconfacilidadlahumedad(higroscpico)aligualqueelcementoyel carbn vegetal. Ver figura 2.4. Cloruro sdicoSulfato sdicoSulfato de CobrePorcentaje de la solucin a 20 C-m%5030105210.160.140.100.080.040.02 Figura 2.4. Resistividad del suelo en funcin del tipo de sales [4]. 01020304050607080901000 5 10 15Resistividad (-m)Porcentaje de sales disueltas (%)CAPTULO II 27 2 El contenido de humedad en los suelos es la cantidad de agua que el suelo contiene en el momento de ser extrado. Una forma de conocer el contenido de humedad es pesar la muestra cuando se acaba de extraer, y despus de haberla mantenido durante 24 horas en un horno a una temperatura de 110C. Lahumedad.Enlafigura2.5sepuedeobservarquelaresistividad aumenta conforme disminuye el contenido de agua en el terreno. Figura 2.5 Resistividad del suelo en funcin de la humedad 2. Laestratificacindelsuelo(Cambiostransversalesylongitudinalesdela resistividad en un mismo volumen de inters) Debeagregarsequelacomposicindelatierra,inclusoenunmismosectoro rea,esmuyheterognea,yaquepuedenpresentarsediferentescapas,bolsas, depsitos, etc., tanto horizontal como verticalmente, como se muestra en la figura 2.6.Porlotanto,laestratificacindelsueloeslaesladisposicinencapas verticales y horizontales de las rocas sedimentarias. Figura 2.6. Estratificacin del suelo [5]. Deestamanera,laresistividadtotaldeunterrenoeslaresultantedelas correspondientes resistividades de las diversas capas que lo constituyen. P o r c e n t a j e d e H u m e d a dResistividad del suelo (ohms-m)T e r r e n os u p e r f i c i a lM a r g aa r c i l l o s a 1 2 3 4PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 28Ademslascapassuperficialessonafectadasfuertementeporloscambios climticosquesepresentanencadaestacindelao,comolluvias,sequasy heladas, como se muestra en la figura 2.7. Figura 2.7. Variacin de la resistencia a tierra en funcin de la poca del ao [10]. Puedeconcluirsequelamagnituddelaresistividaddelterrenoesunamagnitud variableyqueelnicocaminoaceptableparaconocersuvalorconsistiren medirla, lo que permitir establecer su magnitud en las condiciones existentes en cada caso. 051015202530350 2 4 6 8 10 12Resistencia a tierra ()MesAo tpicoCAPTULO II 292.3 MTODOSPARALAMEDICINDELARESISTIVIDADAPARENTEDEL SUELO Sedenominaresistividadaparente()debidoaquesiempresepuedecalcular, solo se necesita conocer la localizacin de los electrodos de prueba, la tensin y la corrienteaplicados.Sinembargolatierranotieneunaresistividadconstante,la resistividadvaraconlatrayectoriaverticalyhorizontal,deestemodo,la resistividadcalculadanorepresentalaverdaderaresistividaddelsuelo,deahel trmino de resistividad aparente. [5] 2.3.1Mtodo de Wenner o de los cuatro puntos [2] 2.3.1.1Generalidades Para efectuar la medicin de resistividad del suelo es necesario hacer circular una corriente por el mismo, el mtodo ms usual es el de Frank-Wenner denominado tambinmtododeloscuatroelectrodos,elequipodemedicinutilizadoesel medidor de rigidez dielctrica (megger). 2.3.1.2Principio de medicin [2] ElmtododeloscuatropuntosdeWenner,eslatcnicamsutilizada actualmente.Consistebsicamenteencuatroelectrodosenterradosdentrodel sueloalolargodeunalnearecta,aunaigualdistanciaAdeseparacin, enterrados a una profundidad B. La tensin entre los dos electrodos interiores de potencial P es medida y dividida entre la corriente que fluye a travs de los otros doselectrodosexternosCparadarunvalorderesistenciamutuaRenohms. Conestearreglo,loselectrodosestnigualmenteespaciados,comosemuestra en la figura 2.8. Figura 2.8 Principio de medicin de resistividad aparente del suelo por el mtodo de Wenner. [2] PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 30 Figura 2.9 Esquema de medicin de resistividad aparente del suelo por el mtodo de Wenner [2]. Donde: ASeparacin entre varillas adyacentes en m. BProfundidad de los electrodos en m. C Electrodo de corriente. P Electrodo de potencial 2.3.1.3Material y equipo [2] a)Equipo contrastado de medicin de resistencia a tierra. b)Electrodosdepruebaoriginalesquevienenconelequipodemedicin, generalmentefabricadosenacerotempladooaceroinoxidablecon dimetrode 0.475 a 0.635 cm y longitudesde 30 a 60 cm son adecuadas paralamayoradelasmedicionesencampo.Loselectrodosdebenestar construidos con una manija y una terminal para conectar el cable.c)Cabledecobreconunaislamientopara600V,de0.8236-0.3259mm2. Lasterminalesdebendetenerbuenacalidadparaasegurarunabaja resistencia decontactoenloselectrodosyelequipode medicin.Cuando serealicenmedicionesconespaciamientosfijosdeelectrodospuede fabricarseuncablemulticonductorconterminalespermanentemente localizadas en las distancias requeridas. d) Marro para clavar los electrodos. e) Guantes de cuero. CAPTULO II 312.3.1.4Procedimiento de medicin [2] Serecomiendarealizarlasmedicionesenlapocademenorhumedad anual. a)Como primer paso se debe dividir el terreno en cuadros de 10 por 10 m, cada cuadro va a formar una seccin, se deben de enumerar en un plano las secciones que resulten. b) Seleccionar aleatoriamente las secciones en donde se van a realizar las mediciones, de preferencia la mayor parte de los cuadros seleccionados deben de estar en la periferia del terreno. c) Trazardiagonalesencadaseccinquevaasermuestreadacomose indica en la figura 2.10, seleccionar una diagonal para que sobre esta se realicen las mediciones. Figura 2.10 Direcciones para la medicin en campo. [2] d) Partiendo del centro de la diagonal y a lo largo de la misma, colocar los cuatroelectrodosdeprueba(varillas)enelsueloaunaprofundidad mnimade20cmformandounalnearectaentreellas,evitandola existencia de huecos alrededor de las varillas. e) LasterminalesdecorrientedelinstrumentoC1yC2seconectanalos electrodos de prueba (varillas) en los extremos, y de las de potencial P1 y P2 a los electrodos de prueba (varillas) intermedias. f)Se energiza el instrumento (de acuerdo con su instructivo) y se toman las lecturas respectivas de resistencia en . PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 32g) Se calcula la resistividad tomando en cuenta lo siguiente: Si la relacin A/B es menor a 20, entonces se utilizar la frmula 2.3 para calcular la resistividad del terreno. 2 2 2 2B AA4B A2A1AR 4+++=2.3 Donde: Resistividad aparente del suelo en -m. ASeparacin entre electrodos adyacentes en m. B Profundidad de los electrodos en m. RResistencia medida en . SilalongitudBesmuchomenorquelalongitudA,esdecir, cuando la relacin A/B sea mayor o igual a 20, puede suponerse B=0 ylaresistividadaparentedelsuelosedeterminarmediantela frmula 2.4. AR 2 =2.4 Donde: Resistividad aparente del suelo en -m. ASeparacin entre electrodos adyacentes en m. RResistencia medida en . h) Setrazanlneasdepruebaendiagonalalreabajoanlisis,y comenzandoalcentrodelalneaseprocedeavariaslaseparacinde las puntas de prueba a 0.5, 1,2 y 3 m como mnimo. i)Las lecturas obtenidas se reportan en un formato para la medicin similar al que se muestra en el punto 2.3.1.6. j)Se trazan las grficas vs separacin A para cada seccin, para adoptar elmodelodeestudioquepermitalainterpretacindelasmediciones, esto con el fin de obtener la resistividad de diseo del Sistema de Puesta a Tierra. CAPTULO II 332.3.1.5Recomendaciones a)Paraterrenossecos,sepuedehumedecerligeramenteelterreno alrededor de cada electrodo vertical. b)Los electrodos de acero templado y de acero inoxidable pueden requerir tratamientos trmicos para que sean lo suficientemente rgidos para ser insertados en suelos secos o rocosos. c)Lamedicindelaresistividadaparentedelsueloescomnmente distorsionadaporlaexistenciadecorrientesdetierraysusarmnicas. Paracorregiresto,muchosequipostienenunsistemadecontrolde frecuenciaquepermiteseleccionarlafrecuenciademedicinconla menor cantidad de ruido y as obtener una medicin clara. 2.3.1.6Formato de medicin. [2] En la tabla 2.1 se presenta un formato tpico para registrar las mediciones de resistividad aparente del suelo. Proyecto:Nmero de secciones:rea de las secciones: Fecha:Hora:Responsable: Equipo utilizado: Temperatura ambiente: Humedad relativa %: Seccin Enterrado de las probetas en metros (B) Separacin entre electrodos en metros (A) Valor de resistencia medido Relacin A/B Resistividad calculada en ohms-metro. 0.5 1 2 3 4 PromedioNota: Cuando las variaciones de los valores de resistividad no sean mayores del 30%, se podr realizarunpromediodetodaslasmediciones,sinembargocuandoexistaunavariacin significativa entre los valores, se promediaran el valor ms alto y el ms bajo para obtener un valor de resistividad de esa seccin. Tabla 2.1.- Formato de registro de mediciones de resistividad aparente del suelo [2]. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 342.3.2Medicin de resistividad por el mtodo de Schlumberger [2] Una desventaja del mtodo de Wenner es el decremento rpido en la magnitud de latensinentrelosdoselectrodosinteriorescuandosuespaciamientose incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muygrandesentreloselectrodosdecorriente,puedeutilizarseelarreglode Schlumberger, cuyo principio de medicin se muestra en la figura 2.11. Loselectrodosdepotencialselocalizanlomscercaposibledelos correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido. Adems,convaloresgrandesded/L,lasvariacionesdelosvaloresmedidos debidosairregularidadesenlasuperficie,sereducendandomedicionesms exactas. Figura 2.11 Principio de medicin de resistividad aparente del suelo por el mtodo de Schlumberger [2]. Figura 2.12 Esquema de medicin de resistividad aparente del suelo por el mtodo de Schlumberger [2]. CAPTULO II 35Donde: BProfundidad de electrodos de prueba en m. cdistancia entre electrodos de corriente y potencial. d distancia entre electrodos de potencial. C Electrodo de corriente. P Electrodo de potencial. La expresin para calcular la resistividad por este mtodo es: d)/d Rc(c + =2.5 A continuacin se presentan algunos valores tpicos de resistividad en la tabla 2.2. Tipo de suelo o agua Resistividad ( -m) Limites ( -m) Agua de mar20.1 - 10 Arcilla408 a 70 Lodos5010 a 150 Arcilla y mezclas de arenas1004 a 300 Esquisto, pizarras, piedra arenisca, etc.,12010 a 100 Turba, marga con barro1505 a 250 Agua dulce250100 a 400 Arena2000200 a 3000 Grava morena300040 a 10000 Grava volcnica15000300 a 30000 Granito slido2500010000 a 50000 Hielo10000010000 a 100000 Tabla 2.2.- Valores de resistividad para varios tipos de suelos y agua [5]. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 362.4INTERPRETACINDEMEDICIONESDERESISTIVIDADAPARENTEDEL SUELO [5] La interpretacin de las mediciones de la resistividad aparente del suelo obtenidas encampo,constituyeunodelosproblemasmsimportantesdentrodel conocimiento de los sistemas de puesta a tierra. Paralossitiosdondeseefectanmedicionesdelaresistividaddelterreno, usualmenteseacumulanunaseriederesultados,correspondientesadiferentes separaciones entre electrodos. La representacin grfica de estos valores reporta valores como los mostrados en la figura 2.13. Conelfindelograrutilizarestainformacinparaeldiseodelossistemasde puestaatierraqueutilizanelsuelocomopartedesutrayectoria,esnecesario realizar la interpretacin de las mediciones. 2.4.1Curva de resistividad aparente [5] Conbaseelcomportamientofsicodelascaractersticasdelterreno,esprctica comn,quelarepresentacindelavariacindelaresistividadconrespectoala separacinentreloselectrodosdeprueba,serealicemediantela elaboracin de una curva de la resistividad aparente en funcin de la separacin entre electrodos de prueba. La obtencin de la curva de resistividad aparente en funcin de la distancia de los electrodos de prueba, es el objetivo principal de las mediciones de campo. Es obvia la importancia de obtener una curva de campo lo ms confiable posible, ya que esta es la referencia para medir la validez de los modelos propuestos. Enlaprcticaesdifcilencontraruncomportamientolinealdelaresistividad aparente del suelo en funcin de la separacin entre electrodos, debido a la gran diversidaddematerialesyprofundidadesqueconformanelsuelo,porloquees comn obtener graficas como las mostradas en la figura 2.13. CAPTULO II 37 a.- Curva de resistividad aparente ascendente, donde el primer valor medido (1) es menor que el segundo valor medido (2). b.- Curva de resistividad aparente descendente, donde el primer valor medido (1) es mayor que el segundo valor medido (2). c.-Curvaderesistividadaparentehomognea,dondeloscuatrovaloresmedidos(1)(2)(3)y (4) quedan dentro de una banda predefinida. d.-Curvaderesistividadaparenteascendente-descendente-intermedia,dondeelprimervalor medido (1) es mayor que el segundo valor medido (2) y el tercer valor medido (3). e.-Curvaderesistividadaparentedescendente-ascendente-intermedia,dondeelprimervalor medido (1) es menor que el tercer valor medido (3) y el segundo valor medido (2). Figura 2.13. Resistividad aparente en funcin de la separacin entre electrodos de prueba [4]. Debidoalagrandiversidaddeposiblescurvas,larepresentacindelas medicionesderesistividadaparentedelsueloparapropsitosdeanlisisdelos resultados,considerandoloscasostpicosencontrados,conduceaadoptar modelos conocidos como resistividad homognea y resistividad heterognea. PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 382.4.2Resistividad homognea [5]. Si la grfica de la resistividad aparente presenta variaciones dentro de una banda del 10%, podemos considerar que tenemos un suelo homogneo; como ejemplo tenemos la curva c de la figura 2.13. Enestosresultados,sidespreciamoslosvaloresiniciales,losquecorresponden normalmenteavariacionessuperficialesprovocadasporlahumedadyla temperaturaambiente,laresistividadaparenteresultanteescaractersticadeun suelo homogneo, con resistividad equivalente. Desafortunadamente estos casos son excepcionales. Elvalornicodelaresistividadaparentehomogneaouniforme,secalcula mediante la siguiente expresin: n n 6 5 4 3 21+ + + + + +=2.6 Donde: nes el nmero de mediciones en cada direccin realizadas en campo 1, 2..., n son las resistividades promedio calculadas en cada medicin. CAPTULO II 392.4.3Resistividad Heterognea [5]. Comoconclusindelosejemplosdecurvasderesistividadaparentedelafigura 2.13,noexistereglageneralquepermitaunainterpretacindirectadeestos resultados para obtener un modelo del terreno en estudio. Lonicoquesepuedeconcluirconcertezaeslaheterogeneidaddelterreno,la existencia de estratos profundos con mayor o menor resistividad que los estratos superficiales, y en algunos casos el nmero de capas inicial del modelo propuesto. Losmodelosheterogneosmsconocidosparaelanlisisdelasmedicionesde resistividad aparente del suelo y la obtencin de la resistividad de diseo del SPT sonlosdeTaparyGross,quienespropusieronunmodeloconvariacin exponencial (ascendente o descendente) de la resistividad con la profundidad; y el deTaggquienpropusounmodelointegradopordoscapasparalelasala superficie del suelo con valores de resistividad uniforme para cada una de ellas. 2.4.4Modelo de las dos capas [5] Enlaprctica,paralamayoradelosproblemasdecirculacindecorrientea travsdelsuelo,larepresentacinmatemticaquepermiteunainterpretacin adecuadadelasmedicionesdelaresistividaddelsuelo,estconstituidaporel modelodelasdoscapashorizontales deresistividaduniforme1 y2,propuesto por Tagg, ilustrado en la figura 2.14. Bajoestemodelo,laprimeradelascapastieneunaprofundidadhapartirdela superficie del suelo, y la segunda que se inicia a partir de la profundidad h, tendr una profundidad ilimitada. hs u p e r f i c i e d e l s u e l o Figura 2.14 Modelo estratificado de dos capas horizontales. Loscambiosabruptosdelaresistividadenlafronteradeambascapaspueden describirse por medio de un factor de reflexin K, definido mediante: 1 21 K2+=2.7 PROPUESTA DE DISEO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIN LAS FRESAS BANCO I 40Estefactordereflexinvaraentreloslmites1y+1.Unsueloconcambios extremosenlosvaloresderesistividad,tendrasociadounfactordereflexin cercanoalaunidad.Mientrasqueunsueloconvaloresderesistividadsimilares tendr asociado un factor de reflexin cercano al cero. Para un suelo con valores deresistividadcrecientesconlaprofundidad(curva1delafigura2.13),le corresponde un factor de reflexin positivo (+k); mientras que un suelo con valores deresistividaddecrecientesconlaprofundidad(curva2delafigura2.13),le corresponde un factor de reflexin negativo (-k). Coneladvenimientodelosprogramasasistidosporcomputadora,se desarrollaronnumerososmtodosdenaturalezanumricaparaelanlisisde suelosconestratoshorizontales,loscualespermitendeterminarlosparmetros que permiten que la funcin matemtica que describe el modelo de las dos capas se aproxime a la curva de resistividad aparente medida en campo. Cuandosehaidentificadounsueloheterogneoenlacurvaderesistividad aparente obtenida en campo y se toma la decisin de adoptar un modelo de dos capasparaelestudiodelmismo,esrecomendable(enlamedidaquelas posibilidadeslopermitan),utilizarunprogramaasistidoporcomputadorapara obtenerelvalorderesistividaddediseodelSPT,yaquerepresentauna herramientaqueesdegranutilidadparaeldiseador, tomando encuenta(entre otrosfactores)laeficienciayeficaciaconlacualseobtienenlosvalores requeridos. Losdatosdeentradaquecomnmenteseleproporcionanalprogramasonlas medicionesderesistividadaparenteobtenidasconelmtododeWenner,as comoladistancia deloselectrodosde prueba. Losdatos desalidadelprograma son la resistividad en la primera capa 1, su altura o profundidad h, la resistividad de la segunda capa 2con una altura infinita y el factor de reflexin K. La resistividad de diseo para el SPT ser la que se encuentre a la profundidad de enterramiento de la red (0.5m). Si no es posible obtener un modelo de dos capas para el suelo, puede obtenerse un valor indicativo de la resistividad aparente del suelo, conocido como resistividad uniforme equivalente, mediante la siguiente expresin: 2 mn mx+= 2.8 Donde: resistividad uniforme aparente del suelo en -m mx y mn representanelvalormximoyelvalormnimo,respectivamente,de la resistividad aparente promedio obtenidas en las diferentes secciones. CAPTULO II 412.5 DETERMINACINDELARESISTENCIAATIERRADELAMALLADEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA [1] Laestimacin delaresistenciatotal de unSPTconrespecto aunatierraremota es uno de los primeros pasos para determinar su tamao y diseo bsico. A primera vista pareciera que e