Download 5.7 Diseño del sistema de Puesta a Tierra

Sistema de Puesta a Tierra de una Sub estación
Temas:
1
Introducción
Durante la construcción de cualquier subestación eléctrica, grande o pequeña, o en el
empleo de maquinas o aparatos que van a prestar algún tipo especifico de servicio
eléctrico, es una norma fundamental de seguridad que todas las partes metálicas que se
encuentran accesibles al contacto con las personas se deben mantener siempre a un
potencial bajo para que en caso de accidentes, no resulte de peligro para las personas.
Esto quiere decir que las instalaciones eléctricas deben estar diseñadas para prevenir el
peligro de cualquier contacto accidental con las partes metálicas circundantes con los
elementos que se encuentran bajo tensión, los cuales deben estar provistos de los apoyos
y aisladores adecuados. Aún con estas medidas de seguridad permanece el peligro de
que estas partes, normalmente aisladas, puedan tener contactos con las partes que están
bajo tensión y se tenga un potencial con respecto al suelo (tierra) apareciendo un
potencial anormal causado por defectos de aislamiento.
Este peligro puede ser reducido y hasta eliminado estableciendo una conexión entre el
equipo y tierra, denominada como “Conexión a Tierra”, llevando estos potenciales a
valores muy pequeños como para que resulten peligrosos.
Basado en la Ley de Ohm, se puede decir que el potencial entre una estructura y tierra
viene dado por la siguiente expresión:
VT  RT  I T
Esta tensión dependerá básicamente de dos factores:
1. La corriente de falla a tierra que depende del sistema de potencia al cual se
conecte la subestación.
2. La resistencia de puesta a tierra de la malla, que depende a su vez de algunos
factores controlables y otros no controlables tales como:
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La resistividad del suelo
El calibre de los conductores de la malla
Su separación, su profundidad
La resistividad de la capa de triturado que recubre el piso de la sub
estación.
El valor de la resistencia RT que es necesario tener en la conexión a tierra debe resultar
más pequeño a medida que la corriente de falla a tierra IT resulte más grande.
La resistencia de tierra RT se da en forma convencional como la relación entre la tensión
a tierra en la instalación, medida entre una sección inicial A y un punto L
suficientemente lejano a la correspondiente corriente de tierra a dispersar. El punto L,
debe estar por lo menos 5 veces el diámetro del dispersor A. Si el dispersor es una
varilla, la distancia se puede supones igual a la longitud del mismo
Para limitar la tensión resultante VT correspondiente a una corriente dada IT a tierra, se
debe poner el objeto metálico en último contacto con la tierra por medio de una
superficie SD suficientemente amplia
Este trabajo de investigación busca cubrir los aspectos fundamentales que definen el
diseño seguro de la malla a tierra de una sub estación siguiendo los conceptos tratados
en las siguientes normas:

IEEE Std 80-2000 GUIDE FOR SAFETY IN AC SUBSTATION
GROUNDING
 IEEE 1986
 IEEE Std 142
 DIN VDE-0141
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Definiciones
A continuación se dan una serie de definiciones tratadas por la Norma IEEE Std 80 y
que son necesarias para el entendimiento de este trabajo.
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Circuito de retorno tierra
Es aquel en el cual la tierra o un cuerpo conductor equivalente es utilizado para
completar el circuito y permitir circulación de corriente desde o hacia la fuente
de corriente
Corriente de Tierra
Una corriente circulando hacia o desde la tierra o su cuerpo equivalente que le
sirve de tierra.
Electrodo Auxiliar de Tierra
Es un electrodo de tierra con cierto diseño o funcionamiento restringido. Su
función primaria consiste en ayudar a conducir la corriente de falla a tierra.
Electrodo de Tierra
Es un conductor embebido en la tierra y utilizado para recolectar las corrientes
de tierra o disipar corrientes hacia la tierra.
Elevación del Potencial de la Tierra (GPR)
Es la máxima tensión que la malla de tierra de una instalación puede alcanzar
relativa a un punto de tierra distante que se supone que está al potencial de tierra
remoto.
Esterillas de Tierra
Es una placa metálica sólida o un sistema de conductores con muy poco
espaciamiento, que es conectado y puesto sobre la malla de tierra o cualquier
ligar sobre la superficie para obtener un margen extra de protección y minimizar
así el peligro de exposición a altas tensiones de paso y toque en áreas críticas o
en lugares de uso frecuente por personas.
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Malla de Tierra
Es un sistema de electrodos de tierra horizontales que consiste en un número de
conductores desnudos interconectados y enterrados en la tierra, proporcionando
una tierra común para dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, usualmente
en un lugar específico.
Material Superficial
Un material instalado en la superficie del suelo, el cual por general tiene un
valor de resistividad alto. Comúnmente se emplea material granular, asfalto o
materiales artificiales. Esta capa de material afecta perceptiblemente la corriente
del cuerpo para las tensiones de toque y de paso.
Puesto a Tierra o Aterrizado
Son sistemas, circuitos o equipos que están provistos con tierra con el propósito
de establecer un circuito de retorno de tierra y mantener su potencial
aproximadamente igual al potencial de la tierra.
Sistema de Tierra
Comprende todas las facilidades de tierra interconectadas en un área especifica.
Tensión de Choque
Comprende las tensiones de toque y paso
Tensión de Lazo o Retícula
La máxima tensión de toque encontrada dentro de un lazo, retícula o malla de
puesta a tierra
Tensión de Paso
La diferencia de tensión en la superficie, experimentada por una persona con los
pies separados una distancia de un metro y sin estar en contacto con ningún
objeto aterrizado
Tensión de toque
La diferencia de tensión entre el GPR y la tensión en la superficie en el pinto
donde una persona se para, mientras al mismo tiempo tiene sus manos en
contacto con una estructura puesta a tierra
Tensión Transferida
Es un caso especial de tensión de toque en donde la tensión es transferida dentro
o fuera de una sub estación
Tierra
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Funciones de la Malla de Tierra
Las funciones de tierra de una instalación son:
Proteger a los individuos, limitando las tensiones de toque y de paso a valores
aceptables en las vecindades de la instalación durante condiciones de corto circuito.
Proporcionar un medio para disipar la corriente eléctrica en la tierra bajo condiciones
normales o de cortocircuito, sin exceder ningún límite operacional de los equipos o
afectar adversamente la continuidad del servicio.
Asegurar el buen funcionamiento de los equipos de protección de una red, lo cual
garantizará el adecuado aislamiento de las porciones de dicha red que están en falla.
Minimizar la interferencia de los circuitos de transmisión y distribución sobre los
sistemas de comunicaciones y control.
Impedir que los soportes de los equipos alcancen un nivel de potencial diferente al de la
tierra.
Evitar las descargas eléctricas estáticas en atmosferas explosivas.
Proteger la red contra efectos de las descargas atmosféricas.
Permitir la utilización de la tierra como camino de retorno en la transmisión de energía
en corriente continua.
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Tensiones de Toque y de Paso
Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden ser tocados
simultáneamente por una persona; su valor permisible esta dado por:
5
Principales Consideraciones de Diseño
5.1
Concepto General
5.2
Aspectos Básicos en el Diseño de la Malla
5.3
Selección del Conductor y de las Uniones
5.3.1 Consideraciones
5.3.2 Tamaño de los Conductores
5.3.3 Selección de las Uniones
5.3.4 Otras Consideraciones
5.4
El Suelo
5.4.1 Resistividad del Suelo
5.4.1.1 Tipo de Suelo
5.4.1.2 Humedad
5.4.1.3 Minerales y Sales Disueltos
5.4.1.4 Temperatura
5.4.2 Medidas de Resistividad
5.4.3 Procesamiento de Medidas
5.4.4 Suelo homogéneo o uniforme
5.4.5 Suelos no Homogéneos
5.4.5.1 Inspección Visual
5.4.5.2 Métodos Gráficos
5.4.6 Métodos Sistematizados
5.4.7 Comparación de los modelos uniforme y de las dos capas
5.5
Evaluación de la Resistencia de la Tierra
5.5.1 Metodo Simplificado de la norma IEEE 80
5.6
Determinación de la Corriente Máxima de la Malla
5.6.1 Definiciones
5.6.2 Tipo y Localización de la Falla
5.6.3 Factor de División de Corrientes
5.6.3.1 Método Gráfico
5.6.3.2 Método Analítico
5.6.4 Efecto de Asimetría
5.6.5 Efecto de Futuros Cambios en el Sistema
5.7
Diseño del sistema de Puesta a Tierra
5.7.1 Procedimiento de Diseño
5.7.2 Calculo de las Tensiones Máximas de Retícula y de Paso
5.7.2.1 Tensión de Retícula
5.7.2.2 Tensión de Paso
5.7.3 Cálculo de la longitud Mínima de Cable Enterrado
5.7.4 Ejemplo de Calculo de la malla
5.7.5 Refinamiento del Diseño Preliminar
5.7.6 Análisis del Diseño de la malla por Computador
5.7.7 Apantallamiento electromagnético de Casetas
5.8
Otras Consideraciones
5.8.1 Cajas de Prueba
5.8.2 Conexión de los Cables de Guarda de la Malla
5.8.3 Cables de Guarda
5.8.4 Conexión de los Elementos Metálicos a Tierra
5.8.5 Recubrimiento de Triturado
5.8.6 Varillas de Tierra
5.8.7 Cerco Perimetral
5.8.8 Corrosión Galvánica
5.8.9 Sistemas de Baja Tensión
5.8.10
Sistema interno de Agua Potable
5.8.11
Sistema Exterior de Agua Potable
5.8.12
Bandejas Portacables
5.8.13
Edificios
5.8.14
Mallas Adyacentes
5.8.15
Medidas de la Impedancia de una Malla Construida