MALLA DE PUESTA A TIERRA PARAMETROS DE DISEÑO
DEFINICIÓN Es un sistema de electrodos de tierra interconectados entre si por un numero de conductores desnudos sepultados, los cuales proporcionan un punto común de referencia a los aparatos eléctricos o estructuras metálicas PROPÓSITO Limitar cualquier voltaje elevado que pueda resultar de cualquier tipo falla. Garantizar la seguridad e integridad de las personas que estén en contacto con el área de malla, evitar daños en los equipos, descargar los equipos para proceder con un mantenimiento. Proveer una resistencia suficientemente baja para minimizar o subir el potencial de tierra con respecto a una un a tierra lejana.
OTRAS FUNCIONES DE LA MALLA DE TIERRA
Asegurar el buen funcionamiento de los equipos de protección de una red, lo cual garantizara el adecuado aislamiento de las proporciones de dicha red que estén en falla. Proporcionar un medio para disipar la corriente eléctrica en la tierra bajo condiciones normales o de corto circuito. Minimizar la interferencia de los circuitos de transmisión y distribución sobre los sistemas de comunicación y control c ontrol Mantener ciertos puntos de una red a un nivel de potencial definido con referencia a la tierra. Proteger la red contra los efectos de las descargas d escargas atmosféricas.
DEFINICIONES Circuito de retorno: es un circuito en el cual conductor la tierra o cualquier otro cuerpo conductor equivalente se emplea para completar el circuito y permitir la circulación de corriente desde desde o hacia su fuente. Tierra: Es una conexión conductora, ya sea intencional o accidental mediante la cual un circuito o equipo que q ue da aterrizado Puesto a tierra o aterrizado :Sistemas, circuitos o equipos que están provistos con tierra para el el propósito de establecer un circuito de retorno de de tierra y para mantener su potencial aproximadamente al potencial de la tierra. Corriente simétrica inicial de falla a tierra: El valor máximo eficaz de corriente de falla después del instante de iniciación de una falla a tierra. corriente simétrica de malla: Porción de la corriente simétrica a tierra que circula entre la malla a tierra y la tierra circundante Elevación de 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 tierra distante que se asume estar al potencial de tierra remoto.
CIRCUITO ACCIDE TAL A TIERRA Tensión de paso La diferencia de tensión en la superficie experimentada por una persona con los pies a distanci de 1metro y sin estar en contacto on ningún objeto aterrizado. Ver Dibujo1
Tensión de Contacto La diferencia de tensión entre el GPR y la tensión en la superficie en el punto en donde una persona se para, mientras al mismo tiemp tiene sus manos en contacto con una est uctura puesta a tierra. Ver Dibujo2 POTENCIALES PELIG OSOS DE TOQUE Y DE PASO EN S BESTACION DE MEDIA Y BAJA TENSI N
Tensión transferida Es un caso especial de tensión de toque en donde una te sión es transferida dentro o fuer de una subestación. Ver dibujo3
Tensión de lazo La máxima tensión de toque encontrada dentro de un lazo de una malla de puesta a tierra .dibujo 4 Tensiones máximas permitidas para T. paso y T de Contacto Epc50=(1000+6Cs*ρc)*0.116/(ts)^1/2 Epc = Tensión de paso 50=peso de la persona en kg. ts=duración de la corriente de choque. ρs=resistividad
del cascajoΩ /m.2000-5000
Cs=factor de reducción. Ejemplos= Epc50=(1000+6Cs*ρc)*0.116/(ts)^1/2 Epc70=(1000+6Cs*ρc)*0.157/(ts)^1/2 Et50=(1000+1.5Cs*ρc)*0.116/(ts)^1/2 Et70=(1000+6Cs*ρc)*0.157/(ts)^1/2 K : Es la relación de la permeabilidad del cascajo y la permeabilidad superficie del terreno. ρ 2=resistividad
del cascajo
ρ 1=resistividad del terreno
K=ρ 2-ρ 1/ ρ 2+ρ 1 ver tabla CONSIDERACIONES DE DISEÑO IEEE 80 Un sistema de tierra debe ser instalado de manera que limite el efecto de los gradientes de potenciales de tierra a niveles de tensión y corrientes tales que no pongan en peligro la seguridad de las personas y equipo bajo condiciones normales y de falla.
Se comienza con la inspección de la planta general de la subestación mostrando los equipos principales y estructuras Ver Dibujo 5
Un conductor continuo en forma de lazo debe rodear el perímetro de la subestación de tal forma que encierre el área total. Esta medida ayuda a evitar altas concentraciones de corriente y por lo tanto altas diferencias de tensiones en el área de la malla y cerca de los tramos finales de los cables de la malla. Dentro del lazo los conductores deben colocarse en líneas paralelas y en lo posible, a lo largo de estructuras y filas de equipos de tal forma que se tengan las conexiones mas cortas. Una malla típica de una subestación puede estar conformada por conductores de cobre desnudos con calibre del orden de 4/0 AWG, enterrados entre 0.5 y 1.3 m bajo la capa del cascajo, separados entre 3 y 7 formando retículas.
Las varillas de puesta a tierra pueden colocarse en las esquinas de la malla y en la periferia cada dos uniones. Pueden instalarse también adyacentes a los equipos principales. En suelos de varias capas de resistividad se puede instalar varillas de varios metros de longitud para poder llegar a la capa de menor resistividad. Varios conductores o uno de mayor tamaño deben instalarse en áreas de gran concentración de corriente como en la puesta a tierra de los neutros de transformadores, generadores, banco de capacitores, terminales de tierra de pararrayos, pórticos. La relación de los lados de una retícula esta generalmente entre 1:1 y 1:3, las conexiones cruzadas entre los conductores en paralelo que forman la retícula, tienen un efecto,relativamente pequeño en bajar la resistencia de la malla ;Su principal función es el control de las tensiones de choque. Se debe prever una capa de cascajo de alta resistividad sobre la superficie de toda la subestación. Esta puede tener un espesor entre 0.08 y 0.15 m.
Efecto de una delgada capa de gravilla Frecuentemente se extiende una capa de gravilla de 10 a 15 cms (4 a 6 pulgadas) de espesor sobre la superficie del terreno, encima de la malla de tierra, para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación. La corriente por el cuerpo será considerablemente menor debido a la mayor resistencia de contacto entre el suelo y los pies.
Selección del conductor y de las uniones Consideraciones Tener suficiente conductividad para no crear diferencias de tensiones locales peligrosas. Resistir la fusión y el deterioro mecánico bajo condiciones mas adversas de corriente de falla en cuanto a magnitud y duración. Ser mecánicamente confiable y fuerte, especialmente en áreas expuestas a corrosión y abuso físico.
El material mas utilizado para los conductores y electrodos de la mallas de tierra es el cobre debido a su alta conductividad y su alta resistencia a la corrosión cuando esta enterrado. Otro material usado es acero galvanizado porque provee una protección catódica para evitar corrosión. Tamaño de los conductores La formula de Sverak evalúa la capacidad de corriente de cualquier conductor. I:corriente eficaz en KA A:área del conductor Tm.:temperatura máxima °C Tc=temperatura de referencia para el material en °C ∞°=coeficiente
térmico de resistividad a 0°
∞r=coeficiente térmico
de resistividad a la temperatura de referencia Tr
ρr=la
resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr k°=1/ ∞°O ( 1/ ∞r)-Tr tr=Tiempo que fluye la corriente en s. TCAP=Factor de capacidad térmica J/cm3/°C
TCAP *10 4 K ° + Tm I = A LN K ° + Ta tc * ∞r * ρ r
Constantes de mat riales
SELECCI N DE LAS UNIONES Los métodos mas comunes: soldadura exotérmica, abrazadera y los conectores a presión. Si por razones ecánicas, el recocido del conductor e una cuestión de consideración, es prudente no exceder 250°C indepen di ntemente del tipo de unión o conexión Uniones del tip soldadura exotérmica deberán unir íntimamente los conductores de ti rra con un conector que tiene las mis as características de fusión que los mismos conductores , de tal forma qu toda la conexión puede ser tratada como si fuera parte integral de un conductor homogéneo.
SISTEMAS CON NEUT O AISLADO
SISTEMAS CON NEUT O PUESTO A TIERRA
PROTECCIÓN EN CAS DE ENERGIZACION DE LAS MASA
Dispersión de Corriente a Frecuencia Industrial en el suelo - He isferios Concéntricos
SEGMENTO DE SUEL DENTRO DE UNA AREA HEMISFERICA
VARIACION DEL POTENCIAL (V) EN EL SUELO (ρ) RESPEC O DE LA DISPERSI N DE UNA ORRIENTE (I)
OBTENCIÓN DE LA EXPRESION DEL POTENCIAL A UNA DI TANCIA r DEL PUNTO C.
PRINCIPIO DE CAIDA E POTENCIAL
APLICACI N DE MEDI AS
METODO DE W NNER PARA LA MEDICION DE LA RESITIVIDAD
SI LA SEPARACION DE LOS ELECTRODOS DE ME IDA SE HACE EQUIDISTANTE LA ESISTIVIDAD VIENE DADA POR LA SIGUIENTE FORMULA:
= R 2π a
R =
ρ
2π a
EXPRESION GENERAL PARA EL CALCULO DE LA RESISTIVIDAD POR EL METODO DE WENNER
4* *a* R ρ = (Ω*m) a 2* 1+ − 2 2 2 2 a +4 b a +b La resistividad aparente es cuando la profundidad a la que se e tierra el electrodo es igual a la de separación. Se denota como ρa. Generalmente b no es mayor de 10 cm.
RESISTENCIA DE PUE TA A TIERRA
1 1 1 Rg = ρ * + 1+ L 20 1+h 20/ A
Rg : Resistencia de la malla a tierra. (Ω) ρ
: Resistividad prome io en (Ω*m)
A : Area ocupada por l malla de tierra en m2 L : Cantidad total de conductor de la malla.
EL TELURÓMETRO
Disposición de los suelos
Composición de los S elos O2 con el silicio la masa total.
el aluminio en forma de óxidos hidrata os. 70 al 80% de
xidos de hierro (Fe) y magnesio (Mg) Compuestos de calcio (Ca). Compuestos de Potasio (K). Compuestos de Sodio (Na). En pequeños por entajes sales solubles.
Factores que influyen en la resistividad del terreno La composición Las sales solubles y su concentración El estado higrométrico La temperatura La granulometría La compacidad
DETERMINACIÓN DE LA CORRIENTE MÁXIMA DE LA MALLA
Tipo y localización de la falla Se debe evaluar el tipo y localización de la falla a tierra que produzca la circulación mayor de corriente entre la malla de tierra circundante, y por lo tanto el más alto GPR y la mayor tensión en la superficie. GPR: Máxima tensión de la malla relativa a la tierra remota, V Existen diferentes fallas como se ve en los esquemas
Es recomendable que la evaluación se centre en la fallas fase-tierra y fase-fase a tierra ya que las fallas múltiples y simultáneas no deben considerarse si la probabilidad de ocurrencia es despreciable. El peor tipo de corriente que puede ocurrir puede ser definido como la resultante en la más alta circulación de corriente de secuencia cero hacia la tierra. 3Io. En un sitio dado, una falla fase-tierra será la de más alto tipo si ZoZ1 > Z2 (Zo > Z1 si Z1 = Z2 ) en el punto de la falla, y una falla fase-fase a tierra será la de más alto tipo si ZoZ1 < Z2 (Zo < Z1 si Z1 = Z2). Corriente de Falla en una Subestación Se debe analizar fallas en alta como en el lado de baja del transformador, así como dentro y fuera de la subestación. En la gran mayoría de los casos, es suficiente el calculo de la máxima corriente de malla despreciando el efecto de la parte resistiva de la impedancia del sistema, la resistencia de puesta a tierra de la malla y la resistencia de la falla. El error introducido al despreciar estas resistencias es usualmente pequeño. Factor de división de corrientes Ig = SfIf
(If = 3I0)
Donde: Ig : Corriente simétrica de malla, A If : Valor eficaz de corriente simétrica de falla de tierra, A Sf : factor de división de corriente de falla I0 : corriente de secuencia cero
Método gráfico El método gráfico de Garret intenta correlacionar la corriente de secuencia cero de la subestación obtenida de un estudio tradicional de cortocircuitos con la corriente simétrica de malla. Los gráficos se pueden dividir en tres categorías: 1. Contribución de corriente: 100% remota – 0% local. Representa subestaciones de distribución típicas con transformadores delta-estrella puesta a tierra, con A líneas de transmisión y B alimentadores.
2. Representan subestaciones de transmisión o de plantas generadoras con A líneas de transmisión y con fuentes locales de secuencia cero (autotransformadores, transformadores, etc.) Los alimentadores son considerados como líneas de transmisión. 3. Contribución de corriente: 50% remoto – 50% local. APLICACIÓN
Efecto de asimetría La máxima corriente de falla, I G, es la máxima corriente asimétrica de corriente alterna que circula entre la malla y la tierra circundante. Esta corriente asimétrica, incluye la corriente simétrica Ig, así como un factor de corrección llamado factor de decremento, Df, el cual es igual a:
D f = 1 +
Ta t f
(1 − e
− 2 tf / Ta
)
tf : duración de la falla en s Ta :
constante ubtransitoria equivalente del sistema en s
Efecto de futuros c mbios en el sistema El último paso en la s lección de la corriente máxima de fall , IG, consiste en encontrar el mayor producto Df, Ig, (o sea la condición peor de falla) y establecer un factor de proyecció , Cp, que da el margen para futuros crecimientos del sistema. De lo anterior e tiene que el valor del diseño de la co riente máxima de malla sería:
IG = Cp Df Ig Tensión de retícula
Em = p IGKmK1 /L Donde:
Km : Factor de geometría K1 :
Factor de corrección por geometría en forma de malla
IG :
Corriente máxima de malla, A
P :
Resistividad del suelo, ohm-m
L:
Longitud total del conductor de la malla Lg, más longitud total de las varillas, L.m
Los factores de la anterior ecuación tienen las siguientes expresiones:
K m =
1
ln(
2π
D
2
16 h.d
+
( D + 2 h ) 8 D.d
2
−
h 4 d
)+
K H K h
. Ln (
8 π ( 2 n − 1)
)
K 1 = 0 . 656 + 0 .172 n donde: KH = 1
para mallas con varillas en el perímetro o en las esquinas
KH = 1/(2n)2/n para mallas sin varilla en el perímetro o en las esquinas, pudiendo tener algunas en la parte central.
K h = h0 = 1 m
1 + h / h 0
(referencia de la profundidad de la malla)
Cuando se tiene varillas en el perímetro, L se convierte en: L = Lc + 1,15Lf
Donde: Lc : longitud total del conductor enterrado, m Lf : longitud total de las varillas enterradas, m
E m =
Tensión de paso
p . I G . K 0 . K 1 L
Para el enterramiento normal de la malla en donde 0.25 < h < 2.5m, se tiene: K0 : factor de geometría
1 1
K 0 =
2 h
π
1
+
D + h
+
1
D
(1 − 0 . 5
n−2
)
y para una profundidad de 0,25 m o menos 1 1
K 0 =
π
2 h
+
1
D + h
+
1
w D
donde: W =
1 2
+
1 3
+
1 4
+ ...
1
n −1
o para n ≥ 6 W ≈
1 2 ( n − 1)
+ ln( n − 1) − 0 . 423
El valor de L, como en la tensión de retícula, depende de si existen varillas de puesta a tierra en el perímetro o no.
DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
