Download 5.7 Diseño del sistema de Puesta a Tierra
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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: 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 2 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. 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. 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 3 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. 4 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