1 1.1 1.2 1.3 1.4 2 2.1 2.2 2.3 2.4 3 3.1 3.2 3.3 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5 6 6.1 6.2 6.3
Instituciones normativas 2 IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers 2 ANSI American National National Standards Institute 2 ASTM American Society Society for Testing and Materials Materials 2 Características generales de las publicaciones normativas IEEE Std 1048 3 Alcance 3 Propósito 3 Referencias 3 Terminología 4 ASTM F855-1997 (Revisión general) 4 Alcance y propósito 5 Referencias 5 Terminología 5 Corrientes de falla 7 Relación X/R 7 Magnitudes 7 Formas de onda 7 Efectos de la corriente sobre una puesta a tierra 8 Formas de onda utilizadas en ASTM F855 9 Equivalencia térmica y electrodinámica 11 ASTM F855-1997 (Mayor detalle) 12 Causas de energización de una línea 16 Descarga atmosférica 16 Grapas 24 Puntos débiles de una puesta a tierra ante un cortocircuito
2
25
1 Instituciones normativas 1.1 IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Institución dedicada a promover la creatividad, el desarrollo y la integración, compartir y aplicar los avances en las tecnologías de la información, electrónica y ciencias en general para beneficio de la humanidad y de los mismos profesionales (su propia definición). En la práctica para el rubro de electricidad de potencia desarrolla y propone estándares, guías, prácticas recomendadas, métodos de cálculo. Estos documentos se basan en análisis teóricos (papers de investigación), recopilación de buenas prácticas empíricas. Sus documentos son sometidos permanentemente a revisiones y actualizaciones par a considerar los avances tecnológicos. Este trabajo lo desarrollan diversas comisiones de expertos reconocidos. Muchos de los documentos se transforman en estándares reconocidos por la ANSI
1.2 ANSI American National Standards Institute Es una organización sin fines de lucro que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. ANSI es miembro de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) y de la Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission, IEC). La organización también coordina estándares del país estadounidense con estándares internacionales, de tal modo que los productos de dicho país puedan usarse en todo el mundo. Hay una tendencia progresiva de unificar las normas ANSI con sus correspondientes IEC, pero es un trabajo que requiere aún décadas de trabajo entre ambas instituciones. En general los equipos eléctricos de origen norteamericano siguen normas ANSI. Similarmente los procedentes de Europa siguen normas IEC. Las normas ANSI en general son mas exigentes que las normas IEC equivalentes, pero como resultan en equipos mas reforzados, tienen mayor costo y por lo tanto son menos competitivos en el mercado. Hay una tendencia a nivel mundial a utilizar equipos conforme a IEC.
1.3 ASTM American Society for Testing and Materials La ASTM está entre los mayores contribuyentes técnicos del ISO, y mantiene un sólido liderazgo en la definición de los materiales y métodos de prueba en casi todas las industrias, con un casi monopolio en las industrias petrolera y petroquímica. Desarrolla, mantiene y actualiza normas que definen calidades y cualidades de materiales de uso industrial, así como las pruebas para verificar el cumplimiento de esas cualidades y calidades. La colección completa de normas ASTM al año 2014 son 80 tomos con mas de 13000 normas.
1.4 Características generales de las publicaciones normativas Los documentos de IEEE son esencialmente recomendaciones, guías o buenas prácticas y no tienen carácter de normas propiamente tal. Es decir no se considera obligatorio su cumplimiento. cumplimiento. Sin embargo muchos estándares de la IEEE son reconocidos como estándares por la ANSI, en cuyo caso si pasan a tener carácter de normas aplicables y exigibles. Definen características de equipos, sistemas y métodos de prueba. Son de uso general en Estados Unidos y de uso opcional en Europa, donde existen otras instituciones como la IEC, DIN, BS. Entre los mas importantes para el rubro eléctrico está la ANSI/IEEE C2 National Electrical Safety Code (conocido como NESC), que define requerimientos técnicos de seguridad que deben cumplir las instalaciones eléctricas en Estados Unidos.
1 Instituciones normativas 1.1 IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Institución dedicada a promover la creatividad, el desarrollo y la integración, compartir y aplicar los avances en las tecnologías de la información, electrónica y ciencias en general para beneficio de la humanidad y de los mismos profesionales (su propia definición). En la práctica para el rubro de electricidad de potencia desarrolla y propone estándares, guías, prácticas recomendadas, métodos de cálculo. Estos documentos se basan en análisis teóricos (papers de investigación), recopilación de buenas prácticas empíricas. Sus documentos son sometidos permanentemente a revisiones y actualizaciones par a considerar los avances tecnológicos. Este trabajo lo desarrollan diversas comisiones de expertos reconocidos. Muchos de los documentos se transforman en estándares reconocidos por la ANSI
1.2 ANSI American National Standards Institute Es una organización sin fines de lucro que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. ANSI es miembro de la Organización Internacional para la Estandarización (ISO) y de la Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission, IEC). La organización también coordina estándares del país estadounidense con estándares internacionales, de tal modo que los productos de dicho país puedan usarse en todo el mundo. Hay una tendencia progresiva de unificar las normas ANSI con sus correspondientes IEC, pero es un trabajo que requiere aún décadas de trabajo entre ambas instituciones. En general los equipos eléctricos de origen norteamericano siguen normas ANSI. Similarmente los procedentes de Europa siguen normas IEC. Las normas ANSI en general son mas exigentes que las normas IEC equivalentes, pero como resultan en equipos mas reforzados, tienen mayor costo y por lo tanto son menos competitivos en el mercado. Hay una tendencia a nivel mundial a utilizar equipos conforme a IEC.
1.3 ASTM American Society for Testing and Materials La ASTM está entre los mayores contribuyentes técnicos del ISO, y mantiene un sólido liderazgo en la definición de los materiales y métodos de prueba en casi todas las industrias, con un casi monopolio en las industrias petrolera y petroquímica. Desarrolla, mantiene y actualiza normas que definen calidades y cualidades de materiales de uso industrial, así como las pruebas para verificar el cumplimiento de esas cualidades y calidades. La colección completa de normas ASTM al año 2014 son 80 tomos con mas de 13000 normas.
1.4 Características generales de las publicaciones normativas Los documentos de IEEE son esencialmente recomendaciones, guías o buenas prácticas y no tienen carácter de normas propiamente tal. Es decir no se considera obligatorio su cumplimiento. cumplimiento. Sin embargo muchos estándares de la IEEE son reconocidos como estándares por la ANSI, en cuyo caso si pasan a tener carácter de normas aplicables y exigibles. Definen características de equipos, sistemas y métodos de prueba. Son de uso general en Estados Unidos y de uso opcional en Europa, donde existen otras instituciones como la IEC, DIN, BS. Entre los mas importantes para el rubro eléctrico está la ANSI/IEEE C2 National Electrical Safety Code (conocido como NESC), que define requerimientos técnicos de seguridad que deben cumplir las instalaciones eléctricas en Estados Unidos.
El NESC se diferencia del NEC (National Electric Code) publicado por la NFPA como norma NFPA 70. NFPA es la National Fire Protection Association, y tiene relación con las normas que deben de ben cumplir las instalaciones eléctricas de baja tensión (principalmente), media y alta tensión. Está enfocado a requerimientos para prevenir incendios y salvaguardar la propiedad y seguridad de las personas. Su objetivo es similar a nuestros códigos NSEG. Los estándares de ASTM se refieren a materiales o componentes. Definen características especificas cuyo cumplimiento asegura que las características técnicas de cierto material o componente están en ciertos rangos con tolerancias definidas. Definen además métodos de prueba que permiten verificar esas características.
2 IEEE Std 1048 Nombre completo IEEE Std 1048-2003 (Revision of IEEE Std 1048-1990) IEEE Guide for Protective Grounding of Power Lines (Guía para tierras de protección de líneas aéreas de potencia) Es una Guia, es decir no tiene carácter de norma o estándar. Está enfocada al tema de Tierras de protección para líneas aéreas (de transmisión o distribución). Es importante: Conocer las precauciones para su uso y responsabilidades asociadas (liabilities). Puede estar sujeto a cambios, debe verificarse si es la última versión aprobada o reafirmada. Recomienda una vigencia de 5 años. Se debe verificar si existen interp retaciones (por la misma IEEE).
2.1 Alcance This document provides guidelines for grounding methods to protect workers and the public from voltages that might develop in a jobsite during de-energized maintenance of overhead transmission and distribution lines. Lineamientos para puesta a tierra para proteger trabajadores y público de voltajes que pueden aparecer en un lugar de trabajo durante mantención de lineas aéreas de transmision y distribucion en estado desenergizado.
2.2 Propósito This document is intended to provide guidance for protective grounding in jobsites during de-energized maintenance of power lines. The primary purpose of protective grounding is to limit the voltage difference between any two accessible points at the worksite to an acceptable value. As anIEEE guide, the purpose of this document is to suggest approaches for protective grounding. This guide does not have mandatory requirements. Following the suggestions in this guide helps to mitigate risks, and users should take all reasonable steps necessary to minimize risks during de-energized maintenance of power lines. Servir como una guía para aterrizamiento de protección en sitios de trabajo durante mantención de líneas aéreas desenergizadas. El proposito principal de las tierras es limitar la diferencia de voltaje entre dos puntos accesibles en el lugar de trabajo a un valor aceptable. Como otras guias de la IEEE, ésta sugiere métodos para aterrizar. No tiene requerimientos obligatorios. Si se siguen las sugerencias de esta guia ayudará a mitigar riesgos. Los usuarios deberían tomar todos los pasos razonables para minimizar riesgos durante el trabajo de mantención con lineas desenergizadas. Por lo tanto es una guia. No es obligatoria. Es responsabilidad de los usuarios tomar las precauciones necesarias. Está dedicada específicamente a trabajos en líneas desenergizadas existentes.
2.3 Referencias
El estándar IEEE Std. 1048-2003 hace referencia a otras normas IEEE, ASTM, OSHA. IEEE Std. 524 1992 / IEEE Std. 524a-1993 Para trabajos de instalación de nuevas líneas se aplica la ANSI/IEEE Std. 524 1992 Guide to the installation of overhead transmission line conductors (Guía para la instalación de conductores e n líneas aéreas de transmisión) que se complementa con IEEE Std. 524a-1993 Guide to grounding during the installation of overhead transmission line conductors (Guía de puesta a tierra durante la instalación de conductores de líneas aéreas de transmisión). El ultimo estándar mencionado (IEEE Std. 524a-1993) contiene d os programas de computación que se utilizan para el cálculo de tensiones inducidas (capacitivas e inductivas) en conductores paralelos a circuitos energizados y las corrientes que circulan a tierra en caso de aterrizar estos conductores. Los programas se llaman EFINDUC (cálculo para acoplamiento capacitivo) y MFINDUC (cálculo para acoplamiento inductivo). Estos programas deben ser utilizados para estimar los voltajes de conductores paralelos a lineas energizadas y las corrientes que se espera circulen en forma permamente y transitoria por las tierras de protección al estar conectadas para su uso. ANSI/IEEE C2 National Electrical Safety Code (NESC) ya mencionado. ASTM B263 – 1999 Standard test method for determination of cross sectional area of stranded conductors (Método estándar de prueba para la determinación de sección transversal de conductores multihebras). ASTM F855-1997 Standard Specifications for Temporary Protective Grounds to be Used on DeEnergized Electrical Power Lines and Equipment (Especificaciones estándard para tierras temporales de protección para ser usadas en líneas y equipos eléctricos desenergizados). Ver mas adelante en estos apuntes. IEEE Std. 516-1995 Guide for Maintenance Methods on Energized Power Lines (Guía para métodos de mantenimiento en líneas energizadas). OSHA 29 CFR 1910.269, Occupational Safety and Health Standard: Electric Power Generation, Transmission, and Distribution—Subpart R: Special Industries (Norma de salud y seguridad ocupacional. Sistemas eléctricos de generación, transmisión y distribución. Subparte R Industrias especiales) OSHA Occupational Safety and Health Administration es una agencia del Departamento de Trabajo de Estados Unidos. Tiene su sede en W ashington DC. OSHA tiene por objetivo definir y hace cumplir las leyes sobre la seguridad y salud de trabajadores (algo similar a nuestro decreto 16744) OSHA 1910.269 es aplicable a los tr abajadores involucrados en sistemas de transmisión, distribución, generación, control y medida de energía eléctrica. Plantea exigencias que tienen carácter de ley federal en Estados Unidos, entre las cuales están: Las empresas eléctricas están obligadas a realizar un análisis de riesgo para determinar los • niveles de energía a los que podría estar expuesto un trabajador. Es responsabilidad de la empresa eléctrica asegurar que los trabajadores estén protegidos de • quemaduras de segundo grado resultante de arcos eléctricos. Los trabajadores deben usar vestimenta adecuada para reducir la energía incidente a 1.6 cal/m2 • en caso de arco. Referencia a estándares ASTM para equipos y pruebas de éstos. •
2.4 Terminología IEEE 1048 incluye una extensa terminología para describir el significado exacto de los términos específicos que utiliza, con objeto de no dar lugar a interpretaciones inexactas. En este manual se irá describiendo los términos especiales que requieran definiciones a medida que se vayan utilizando.
3 ASTM F855-1997 (Revisión general) Nombre completo ASTM F855-1997, Standard Specifications for Temporary Protective Grounds to be Used on DeEnergized Electrical Power Lines and Equipment (Especificación estándard para tierras de protección temporales para ser usadas en equipos y líneas de potencia desenergizadas).
Es por lo tanto una norma que especifica, es decir detalla las características físicas, eléctricas y otras que deben cumplir las tierras de protección temporal.
3.1 Alcance y propósito Esta especificación cubre el equipamiento que se utiliza para efectuar el sistema de aterrizamiento temporal (puesta a tierra temporal) en líneas eléctricas, subestaciones y equipos desenergizados. Es una especificación, por lo que entrega característica detalladas que deben cumplir los equipos de tierra y las pruebas que deben efectuarse para asegurar que el equipo cumple esas características. El uso y mantenimiento de estas tierras de protección no está dentro del alcance de esta norma. Indica explicitamente que es la practica comun de los usuarios de las tierras preparar procedimientos e instrucciones completas que indiquen detalladamente e l uso y mantenimiento correcto de estos equipos. Tiene cuatro secciones principales enfocadas a tierras que utilizan cables de cobre: 4-16 Grapas (clamps) • 17-30 Casquillos de terminación de cables (ferrules) • 31-39 Cables a ser utilizados (de cobre) • • 40-52 Tierras de protección (ensamble completo de grapas, casquilos y cables) Presenta esencialmente dos tablas (tabla 1 y tabla 2) referidas a las corrientes que son capaces de soportar cada uno de las entidades mencionadas (grapas, casquillos, cables y tierras completas). La Tabla 1 considera corrientes de cortocircuito con un factor de asimetría menor a 20% (o correspondientes a un sistemas con X/R menor o igual a 1.8). No es frecuente encontrar estas asimetrías en sistemas de potencian normales, por lo que esta tablas se utiliza principalmente para definir las condiciones en que se prueban las tierras y componentes. Es una tabla antigua. La Tabla 2 considera corrientes de cortocircuito con un factor de asimetria mayor a 20%. Es la que debe utilizarse para especificar una tierra actualmente. Sin embargo los fabricantes de puestas a tierra normalmente especifican sus tierras de acuerdo a Tabla 1. Por lo tanto se requiere hacer una corrección cuando se conoce la corriente de falla y relación X/R.
3.2 Referencias Esta especificación hace referencia a varios otras e specificaciones ASTM referidas a los materiales utilizados (cable de cobre multihebras, aislación XLPE, aislación PVC, aislación EPR, aislación EPR resistente al ozono, metodos de prueba de resistencia a la tracción de materiales metálicos). También hace referencia a la norma ANSI C37.09 (procedimiento estandar de prueba para interruptores de alta tensión especificados en base a valores simétricos), normas ICEA/NEMA sobre cables y alambres aislados en goma para uso en transmisión y distribución, a la norma IEC 61230 (equivalente europeo a esta ASTM F855) y a otros estándares IEEE (Std 386, Std 1048, Std 1246)
3.3 Terminología Define (entre otros) algunos conceptos q ue es importante destacar: Corriente nominal continua (Continuous current rating) La corriente en valor efectivo RMS que puede conducir el componente o tierra completa como conjunto en forma permanente bajo condiciones especificadas. Conjunto de tierra de protección (ground assembly) Una conexión eléctrica temporal entre una fuente de energización potencial y la tierra, con una capacidad nominal para la máxma corriente de falla anticipada o corriente permanente o ambas. En adelante la llamaremos “tierra de protección” Equipo de tierra de protección (protective grounding equipment) Aparato instalado temporalmente en circuitos de potencia desenergizados con el propósito de ecualización de voltaje y para conducir una corriente de cortocircuito durante un tiempo determinado. Tiempo para fallar (time to failure) El tiempo para fallar es el tiempo entre la iniciación del flujo de corriente y el instante en que comienza el arco (instante de corte del circuito formado por la tierra, por la falla de alguno de sus componentes).
Corriente límite (ultimate capacity) Un valor de corriente que es capaz de conducir durante un tiempo determinado, luego del cual se espera que ocurra algún daño o deterioro al componente o sistema. Si un componente o sistema llega a soportar esta condición no debe ser reutilizado (excepto para hacer pruebas). Corriente resistida (withstand rating) Un valor de corriente que es capaz de conducir durante un tiempo determinado, pero que no causa daño suficiente que impida que la tierra siga operativa y pueda ser reutilizada. La tierra de protección debe ser capaz de pasar una segunda prueba a esta corriente y tiempo, una vez que se ha enfriado a temperatura ambiente.
4 Corrientes de falla En sistemas normales, la mayor exigencia sobre un sistema de tierra tiene relación con la corriente de falla directa por una energización accidental, por lo que normalmente es el factor que determina el dimensionamiento del equipo de puesta a tierra (grapas, capsulas de compresión, cables y sistema completo armado). La corriente de falla en una linea o punto determinado del sistema normalmente se calcula mediante el uso de software especializado, donde se incluye la modelación de todo el sistema eléctrico. Estos software entregan el valor de corrientes simétricas de falla, es decir no incluyen la componente continua adicional presente en los primeros ciclos. Entregan además el desfase angular de esta corriente respecto a la tensión equivalente aplicada (equivalente Thevenin). Las corrientes de falla a considerar para el dimensionamiento de un sistema de tierra son las correspondientes a una falla monofásica a tierra y la correspondiente a dos fases a tierra.
4.1 Relación X/R En el punto donde ocurre una falla, el sistema eléctrico completo aguas arriba puede hacerse equivalente a una fuente de tensión en serie con una impedancia (resistencia R y reactancia X). El valor de la relación X/R se calcula en base al ángulo de la corriente de cortocircuito y no tiene relación con la impedancia propia de la línea, sino que representa un equivalente de todo el sistema eléctrico aguas arriba del punto de falla. Si una corriente monofásica de falla a tierra tiene una magnitud Icc1T con un angulo φ, el valor de la relación X/R puede estimarse como X/R = tan(φ) La reactancia de líneas aereas depende esencialmente de la distancia media entre fases, mientras que la resistencia está dada por la resistencia de los conductores. Por lo tanto para lineas de mayores tensiones, al tener mayores distancias entre f ases, la reactancia serie en [Ω/km] es progresivamente mayor. Por otra parte a mayores tensiones se requiere aumentar la sección de los conductores, por una necesidad de disminuir el efecto corona (aumentar el radio), lo que produce que a mas altas tensiones las líneas tengan menores valores de resistencia en [Ω/km]. Estos dos efectos combinados tienen por resultado q ue las lineas de tensiones mas altas normalmente tengan valores de X/R mayores. La impedancia equivalente en el punto de falla (impedancia de equivalente Thevenin) depende no solo de las lineas, sino tambien de los transformadores existentes en el sistema. Para estos equipos tambien ocurre que a mayores tensiones las relaciones X/R sean mayores. Por lo tanto y resumiendo, a mayores tensiones los valores de la relación X/R son mayores. En sistemas de media tensión (12kV a 33kV) se puede encontrar valores X/R entre 4 y 8, mientras que para sistemas de tensiones 220kV o superior, los valores de X/R pueden llegar a estar entre 15 y 30.
4.2 Magnitudes En sistemas de tensiones menores es e sperable encontrar corrientes de falla signicativamente mayores. En sistemas industriales de 400V, es común encontrar corrientes de falla del orden de 40kA a 100kA, mientras que en sistemas de tensiones mayores en general las corrientes de falla son progresivamente menores rara vez superando los 20kA en sistemas de 220kV.
4.3 Formas de onda La corriente de falla, dependiendo del instante (ángulo de fase) en que ocurre la energización o cortocircuito, tiene una componente simétrica sinusoidal a la frecuencia del sistema (que es la que se calcula mediante el software de cortocircuitos) y una componente de corriente continua que decae exponencialmente.
Adicionalmente si el punto de falla está cercano a generadores, debe tenerse en cuenta que la componente simétrica alterna tiene un valor mayor inicial (subtransiente y transiente) que tambien decae en unos pocos ciclos, debido a la variación de la reactancia de los generadores sincrónicos (inicialmente reactancia subtransiente, luego reactancia transiente, para establecerse luego de unos ciclos en la reactancia permanente). Para efectos de calculos de puestas a tierra en líneas aéreas, normalmente basta con considerar la componente simetrica y la relación X/R. Si el punto de trabajo está cerca de sistemas de generación es conveniente solicitar los valores de cortocircuito subtransiente simétrico y la relación X/R asociada. Dependiendo del instante de ocurrencia de la falla, existe una componente continua que decae exponencialmente. Esta componente decae más rápidamente para valores X/R menores. Por lo tanto es de mayor importancia en sistemas de tensiones mayores (mayores valores de X/R). A modo de ejemplo se muestran dos ondas de cortocircuito, la primera para X/R = 5 y la segunda para X/R = 30, ambas con un valor de corriente simétrica de 10kA. i(t) [A]
Onda corriente 10kA rms con X/R=5
30000
itotal(t)
25000
isim(t) i cc (t)
20000 15000 10000 5000 0 -5000 -10000 -15000
t [s]
-20000 0
i(t) [A]
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Onda corrie nte 10kA rms con X/R=30
30000
itotal(t)
25000
isim(t) i cc (t)
20000 15000 10000 5000 0 -5000 -10000 -15000
t [s]
-20000 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
En estas gráficas se muestra separadamente la compon ente simétrica (curva roja que tiene el mismo valor en ambas graficas), la componente continua decreciente (en verde) y la corriente total (azul). Comparando las gráficas se observa lo siguiente: Para X/R mayor, la componente continua decae mas lentamente. • El valor peak del primer ciclo es mayor para X/R mayor (26.9kA para X/R=30, 21.7A para X/R=5) •
4.4 Efectos de la corriente sobre una puesta a tierra Los efectos de la corriente de falla esperable a considerar para la selección de un sistema de tierras son esencialmente dos:
Efectos electrodinámicos Al existir dos corrientes circulando por dos conductores separados, se producen fuerzas entre ellas que dependen de las magntudes de las corrientes, de la distancia entre ellas, y del angulo físico entre los dos conductores. El cálculo de fuerzas no es sencillo, pero es importante tener en cuenta que en situaciones reales se pueden producir esfuerzos equivalentes a varias toneladas que pueden destruir la puesta a tierra al superar la resistencia mecánica de alguno de sus componentes. Las fuerzas maximas esperables son proporcionales al cuadrado de la corriente en el instante que alcanza el valor máximo instantaneo. Por lo tanto si el valor máximo de corriente se duplica, las fuerzas se cuadruplican. Efectos térmicos Eléctricamente el sistema de tierra es una serie de resistencias, que aunque de pequeño valor acumulan calor durante la circulación de la corriente de falla. Dado el corto tiempo en que está presente la corriente de falla hasta ser despejada por las protecciones aguas arriba del sistema, el calor desarrollado por efecto RI2 no alcanza a ser evacuado del material y produce un aumento progresivo de temperatura (calentamiento adiabático). Si en algún punto del circuito existe mayor resistencia por unidad de longitud o resistencia concentrada (puntos de contacto grapa cable, puntos de contacto grapa-casquillo, contacto prensa-estructura, etc) en esos lugares se producirá un mayor aumento de temperatura en una zona concentrada que puede llegar a producir la fusión del material y por lo tanto la destrucción de la puesta a tierra. Aunque no produzca la fusión, el aumento de temperatura tiene el efecto adicional de disminuir la resistencia mecánica a la tracción del material metálico (grapa o cable), disminuyendo la resistencia mecánica del conjunto ante los esfuerzos electrodinámicos. Puntos de trabajo con cortocircuitos con mayor relación X/R Como se observa en las gráficas, en sistemas con valores de cortocircuito con mayor X/R en el punto de trabajo debe esperarse valores instántaneos de corriente mayores, por lo tanto esfuerzos electrodinámicos mayores. Los mayores esfuerzos ocurrirán en el instante del peak del primer ciclo (valor máximo instantáneo de cortocircuito). Por otra parte se observa que al haber una mayor relación X/R la onda de corriente tiene un valor mayor durante mas tiempo, lo que produce una acumulación mayor de calor, o sea un aumento de temperatura más rápido en las resistencias del circuito conformado por la puesta a tierra. Si bien los valores peak de corriente van disminuyendo (al atenuarse la componente continua) y por lo tanto en los ciclos siguientes los esfuerzos electrodinamicos son cada vez menores, el material tiene un calentamiento progresivamente mayor por acumulación de calor, disminuyendo tambien progresivamente la resistencia mecánica (si se alcanza la temperatura de fusión, la resistencia mecánica se hace nula). En consecuencia valores mayores de X/R tienen por efecto mayores esfuerzos sobre materiales mas calientes por lo tanto mas débiles. Entonces, desde el punto de vista práctico a falta de información sobre el valor X/R del cortocircuito esperado, es preferible considerar que existe además un alto valor de X/R (recomendable considerar X/R=30).
4.5 Formas de onda utilizadas en ASTM F855 Para la aplicación de la especificación ASTM F855 es necesario la comprensión de dos formas de onda principales. La primera con X/R=1.8 considera esencialmente los esfuerzos térmicos y la segunda con X/R=30 se utiliza para los efectos electrodinámicos. A continuación se compara ambas ondas en relación a la componente simétrica pura (sin asimetria) como referencia. En la gráfica siguiente se observa una onda de corriente que corresponde a una relación X/R=1.8, con una magnitud simétrica de 10kA. En base a esta forma de onda se definen los Grados (de 1 a 7) de las puestas a tierra.
i(t) [ A]
Onda corr iente 10kA tipica Tabla 1 ASTM F855 (X/R=1.8)
30000
itotal(t)
25000
isim(t)
20000
i cc (t)
15000 10000 5000 0 -5000 -10000 -15000
t [s]
-20000 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Para esta onda, es claro que la componente continua tiene una duración practicamente menor a un ciclo, por lo que los esfuerzos térmicos y electrodinamicos asociados son relativamente bajos. En la siguiente gráfica se muestra la forma de onda de 10kA simetricos, pero con X/R=30. i(t) [A]
Onda corrie nte 10kA rms con X/R=30
30000
itotal(t)
25000
isim(t)
20000
i cc (t)
15000 10000 5000 0 -5000 -10000 -15000
t [s]
-20000 0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
Comparando ambas gráficas, se observa que la componente simétrica es idéntica (curva r oja). La componente simétrica tiene peaks de 10kA x raiz(2) = 14.14kA instantáneos en ambos casos. Sin embargo el valor peak asimétrico (curva azul) en ambos casos es esencialmente diferente: Para X/R = 1.8 valor peak = 16.61kA (o sea 1.17 veces el peak simétrico) • Para X/R = 30 valor peak = 26.88kA (o sea 1.90 veces el peak simétrico) • Por otra parte el calentamiento térmico de los componentes de una tierra al circular una corriente, suponiendo que el calor no alcanza a escapar de la masa donde se genera (calentamiento adiabático, muy cercano a la realidad dado el corto tiempo del cortocircuito aplicado), se calcula integrando la potencia disipada ( R i2 )en cada trozo de resistencia durante el tiempo que dure el cortocircuito. Si se supone constante el valor de resistencia, los valores a comparar para el cálculo del calentamiento térmico corrresponden a la integral de [ i2(t) dt ] durante el tiempo que permanezca la corriente circulando. En las gráficas siguientes se muestra el valor integrado de [ i2(t) dt ] para ambas formas de onda. En cada gráfica se incluye además el valor integrado de la componente simétrica pura (curva roja) para comparación.
Int( i2 *dt) [A2 s]
Int( i2 *dt) [A2 s]
Integral térmica ( X/R=1.8 )
70,000,000
70,000,000
60,000,000
60,000,000 INT[isim2*dt]
50,000,000
Integral térmica ( X/R=30 )
INT[isim2*dt]
50,000,000
INT[itotal2*dt]
INT[itotal2*dt]
40,000,000
40,000,000
30,000,000
30,000,000
20,000,000
20,000,000
10,000,000
10,000,000
t [s]
t [s]
0
0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Se observa que en el caso de X/R=1.8 el efecto térmico es casi exactamente igual a la onda simétrica pura (las curvas prácticamente se superponen), mientr as que en el caso de X/R=30 se observa el incremento adicional producido por la componente continua decreciente agregada a la onda simétrica. Esto indica que la misma puesta a tierra tendrá un aumento de temperatura mayor al sufrir un cortocircuito con mayor X/R durante el mismo tiempo de aplicación. Factores de sobredimensionamiento para altos X/R De acuerdo a lo anterior, hay dos factores de importancia a considerar para el dimensionamiento de una puesta a tierra donde se espera un cortocircuito con un alto valor de X/R El primero es el factor que considera el sobredimensionamiento por efectos electrodinámicos. Para altos X/R el valor del primer peak de corriente, puede llegar casi al doble del valor instantáneo de la corriente simétrica (1.90 para X/R=30). El segundo factor es el incremento en el valor efectivo térmico integrado durante el tiempo que dure la falla por las corriente mayores por asimetría. Sin embargo en términos prácticos, este factor resulta siempre inferior al requerido por consideraciones electrodinámicas (por ejemplo será de 1.174 para un cortocircuito de 0.25s con X/R=30, mientras que el factor electrodinámico será de 1.90). Para cortocircuitos sostenidos durante mayor tiempo va disminuyendo. Por lo tanto para efectos prácticos lo más simple es considerar una corriente esperada del doble del valor simétrico de cortocircuito. Esto resulta en un valor que es conservativo tanto para los efectos electrodinámicos como los efectos térmicos.
4.6 Equivalencia térmica y electrodinámica Los fabricantes de puestas a tierra y sus componentes especifican normalmente sus productos conforme a los valores indicados en Tabla 1 de la norma ASTM F855, donde las corrientes indicadas corresponden a un factor de asimetría de 1.20 (o 20%). Sin embargo en sistemas eléctricos actuales los valores de X/R normalmente exceden el valor de 6 y pueden alcanzar en algunos casos valores mayores a 20.
Por lo tanto para considerar las corrientes mucho mas asimétricas de los cortocircuitos esperables en sistemas de potencia actuales y especificar adecuadamente una tierra de protección, se requiere calcular las corrientes equivalentes como si tuviesen una relación X/R = 1.8 Sin embargo de acuerdo a lo explicado, a mayores valores de X/R, tiene mayor importancia el factor de asimetría electrodinámico (relacionado con los esfuerzos mecánicos d e cortocircuito). Ejemplo 1 A modo de ejemplo si la corriente de falla es de 10000A (10kA) simétricos con X/R=15, el valor instantáneo del primer peak (mayor esfuerzo electrodinámico esperado) es de 25.6kA mientras que la misma corriente peak instantánea con u n X/R =1.8 tendría un valor solo de 16.6kA. Por lo tanto el factor de amplificación electrodinámico será de 25.6/16.6 = 1.542 Entonces los 10kA con un X/R=15, serán electrodinamicamente equivalentes a una corriente de 1.542 x 10kA = 15.42kA con X/R=1.8
Adicionalmente si la falla tiene una duración de 0.25 segundos, la corriente equivalente térmica resulta ser de 10.9kA, o sea un valor de amplificación por efecto térmico de 10.9/10 = 1.09 Claramente entonces el factor de amplificación electrodinámico tiene mayor importancia y sobrepasa al factor de amplificación térmica. Nota: Los valores fueron calculados mediante planilla Excel incluida como parte de este apunte. Ejemplo 2 Si en el mismo caso anterior la corriente de falla tuviese un valor X/R=40 (extremadamente alto), la corriente del primer peak será de 27.2kA, el factor de amplificación electrodinámico será de 1.638, o sea equivalente a una corriente de 16.38kA con un X/R=1.8 A su vez el factor de amplificación térmico para una falla de 0.25s será solo de 1.224, nuevamente bastante menor al factor de amplificación electrodinámico. Si no se dispone de información del valor X/R de la corriente de cortocircuito esperada en el punto de trabajo, la mejor opción es asumir un valor X/R alto, con lo cual la puesta a tierra de protección quedará sobredimensionada pero segura. A medida que X/R aumenta, el valor del factor de amplificación electrodinámico tiende asintóticamente a un valor cercano a 1.70. Por ello es una practica habitual asumir sencillamente el valor de 2, lo que entrega un margen de seguridad adicional y simplifica los cálculos. Con ello se cubre adicionalmente los factores de asimetría en puntos cercanos a generadores de gran potencia por efecto subtransiente y transiente.
5 ASTM F855-1997 (Mayor detalle) La norma ASTM F855 entrega dos tablas que permiten especificar la capacidad de l sistema de puesta a tierra o de alguno de sus componentes (grapas, casquillos, cables) en base a la corriente que es capaz de soportar durante un tiempo determinado. La Tabla 1 (siguiente) se basa en una onda de cortocircuito con un factor de asimetría no mayor a 1.20, es decir una relación X/R menor o igual a 1.8. Esta tabla fue definida en originalmente en 1983 y considera esencialmente la resistencia de la puesta a tierra a los requerimientos térmicos del cortocircuito.
Grado (Grade) corresponde a la clasificación de la tierra, diseñada para resistir los valores de prueba de corriente que se indican en la tabla. El grado de la puesta a tierra es el principal factor a definir para especificar y aplicar correctamente el equipo. Resistencia mecánica mínima al torque de la grapa de tierra (Grounding clamp torque strenght, min)
En estas columnas se indican los valores mínimos de torque sobre el perno de apriete que debe ser capaz de soportar la grapa de tierra. Se indica el limite mínimo de deformación plástica (Yield) y el límite mínimo de rotura (Ultimate). Estos valores corresponden a la resistencia mecánica de la grapa al ser apretada contra el conductor a ser aterrizado. Límite plástico (yield) En resistencia de materiales es el esfuerzo máximo que al ser aplicado produce una deformación elástica (reversible al desaparecer la fuer za). Si se aplica un esfuerzo por sobre este límite, el material se deforma en forma plástica, es decir sufre una deformación permanente con pérdida de propiedades. Resistencia mecánica última (Ultimate strenght) Corresponde al valor que al ser sobrepasado produce la rotura de la grapa. Valores resistidos simétricos kA (Withstand r ating symmetrical kA) Corresponde a las corrientes que la tierra (o componente) debe ser capaz de soportar sin daño durante los tiempos indicados (la tierra es reutilizable, se puede reutilizar una vez enfriada). Por ejemplo una tierra Grado 4 soportará 34kA durante 250ms o 25kA durante 500ms (siempre con X/R menor o igual a 1.8) Valores límite simétricos kA (Ultimate r ating capacity symmetrical kA) Corresponde a las corrientes que la tierra (o componente) es capaz de soportar antes de su destrucción o daño irreparable (la tierra no puede reutilizarse). Por ejemplo una tierra Grado 4 tiene valores límite de 33kA durante 500ms o 23kA durante 1s (también con X/R menor o igual a 1.8) Corriente permanente (Continuous current rating A rms) Es el valor de corriente que la tierra puede aceptar circulando de forma permanente sin daño. Al circular una corriente permanente por la tierra, aumenta su temperatura hasta un punto de equilibrio donde e l calor interno generado por la circulación de corriente es equivalente al calor disipado al medio externo (por radiación, convección y transmisión térmica). Una tierra debe especificarse de modo que su requerimiento en terreno nunca sea superior al valor resistido, de modo de poderla reutilizar con seguridad. La Tabla 2 fue agregada posteriormente (recién en 2009) a esta norma con objeto de considerar las exigencias de sistemas con un alto valor de relación X/R. Esto fue el resultado de comprobaciones en terreno donde sistemas de tierra resultaron destruídos por los esfuerzos mecánicos en los primeros ciclos, pese a que el calentamiento térmico alcanzado fue mínimo y lejos de los límites máximos aceptables de acuerdo a la Tabla 1. Esta tabla define nuevos grados conforme a la resistencia mecánica del componente o conjunto de tierra, sin embargo deja al usuario final asegurarse que su equipo cumple estas características aumentadas. La práctica muestra que la mayoría de los usuarios finales ni siquiera comprende que significa exactamente esta nueva clasificación y la mayoría de los catálogos de los fabricantes tampoco incluyen productos dimensionados o probados conforme a estos grados.
Esta tabla define siete grados adicionales, con el sufijo H (de High X/R). Define valores últimos (Ultimate) basados en requerimientos estrictamente electromecánicos. Es una prueba de corto tiempo (15 ciclos para sistema USA con f=60Hz, o sea 0.25s de duración). Indica además que una tierra que ha sido sometida a estos valores de prueba no puede ser reutilizada (queda inutilizada). Como muchos fabricantes no incluyen en sus catálogos productos conforme a esta nueva clasificación, es absolutamente necesario efectuar el derateo correspondiente para especificar una tierra que realmente sea capaz de soportar los requerimientos reales esperados en el punto de trabajo. Hay que recordar que de un dimensionamiento adecuado de una tierra dependen vidas humanas. Por lo tanto la situación es la siguiente: • Los fabricantes especifican sus tierras en Grados normalmente conforme a la tabla 1 de ASTM F855 que se ha mantenido desde el año 1983. Algunos fabricantes ofrecen tierras con grados conforme a Tabla 2, es decir para sistemas con alto valor de X/R. Hay amplia experiencia con la aplicación de tierras dimensionadas conforme Tabla 1. Para • corrientes dentro del rango especificado para cada Grado han operado bien si la relacion X/R es baja. Los sistemas actuales tienen valores X/R significativamente mayores, lo que aumenta los • requerimientos mecánicos de los primeros ciclos de acuerdo al factor de asimetría (siguiente curva) Factor Asimetria 2 1.9 ASTM F855 Tabla 2 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 ASTM F855 Tabla 1 1.1 1 0
5
10
15
20
25
30
35
X/R
40
ASTM F855 agrega el 2009 un nuevo listado de grados (Tabla 2, grados con sufijo H) para condiciones de cortocircuitos con alta relación X/R. Sin embargo aun no es adoptada generalmente por todos los fabricantes, quienes mantienen sus productos rateados conforme a Tabla 1 (solo condiciones térmicas). En ese caso se requiere “amplificar” la corriente de cortocircuito simétrica en un factor que • considere la asimetria, de acuerdo a la grafica anterior. Con ello se obtiene una corriente simétrica cuyo máximo instantaneo es similar a la onda de corriente con alto valor de X/R. Aunque no existe una total equivalencia (ya que las pruebas aplicables son diferentes), es posible comparar los grados según Tabla 1 y Tabla 2, considerando solamente la corriente peak última •
(ultimate). Para ello los valores peak según Tabla 1 (con X/R =1.8) se pueden calcular aproximadamente como 1.66 x Corriente ultima 15 ciclos Ultimate rms Ultimate Grado kA rms 0.25s kA peak 1 18 29.9 1H 41 2 29 48.1 3 37 61.4 2H 65 4 47 78.0 3H 84 5 59 97.9 4H 105 6 70 116.2 5H 126 6H 148 7 98 162.7 7H 183 Esta tabla permite estimar el valor d e corriente instantanea (esfuerzos electrodinámicos) que es capaz de resistir un sistema de tierras especificado conforme a la Tabla 1.
6 Causas de energización de una línea Las causas por las cuales un segmento de línea desconectado puede energizarse son básicamente las siguientes: • Descarga atmosférica (rayo) • Inducción capacitiva o electrostática por conductores paralelos energizados Inducción magnética o inductiva por conductores paralelos con presencia de flujo de corriente • Energización accidental •
6.1 Descarga atmosférica Las descargas atmosféricas corresponden a una onda de corriente (carga eléctrica que se descarga desde la atmósfera y fluye hacia el suelo). El voltaje generado por esta onda depende de la impedancia que encuentre en su trayecto. Para efectos de modelación y pruebas, esta onda se modela como un impulso de voltaje estandarizado con una forma característica 1.2/50 µs. Alcanza su valor máximo en 1.2 µs y decae a la mitad del valor máximo en un tiempo de 50 µs, como se muestra en el diagrama.
Considerando que esta onda de impulso viaja aproximadamente a la velocidad de la luz (300.000km/s) es posible estimar que el frente de onda (1.2 µs ) tiene una longitud del orden de 360m mientras que la “cola” decae a la mitad a una distancia aproximada de 15km (50 µs ). Si consideramos que la onda decae practicamente a cero en alrededor de 100 µs, su duración completa es 1/200 de un ciclo de 50Hz (0.02s). Por lo tanto es correcto imaginar la onda de impulso de rayo como un frente creciente desde cero hasta su valor máximo en 360m, que decae lentamente a cero en alrededor de 30km. Esto significa que la caida de un rayo sobre un conductor de una línea de transmisión alcanzará el máximo voltaje en el punto de descarga directa mientras que el inicio del frente de onda apenas ha recorrido 360m, o sea del orden de un vano entre estructuras. Por otra parte dado que la onda de impulso practicamente desaparece dentro de 100 µs, la energia impulsiva se distribuye en un espectro de frecuencia de una banda aproximada entre los 10kHz hasta los 10MHz. Por lo tanto a estas frecuencias las inductancias propias de los conductores se convierten en impedancias de valor significativo (recordar que la reactancia inductiva es 2 π f L ). Por lo tanto debe interpretarse como un fenomeno de onda, en que la línea actua como una guía de onda mas que como elementos conductivos. Los valores de corriente máxima que ocurren en un rayo tiene una distribución estadística como la siguiente:
Las características estadísticas de rayos se pueden resumir en la siguiente información: Corriente de pico: 1 a 400 kA, 30 kA es el más representativo • Tiempo de subida (frente de onda): 1 a 30 ms, 2 ms es el más representativo • Tiempo decrecimiento a valor medio: 10 a 250 ms, siendo 50 ms el valor más representativo • • Descargas por rayo: 1 a 26, valor medio 4. Descarga de rayo sobre una linea Si el rayo descarga sobre un conductor de fase (poco probable considerando el diseño de apantallamiento por la ubicación del cable de guardia) se producirá una elevación de voltaje en el conductor afectado por la descarga. Si esta elevación de tensión supera el nivel de aislación de las cadenas o aisladores, se producirá una descarga desde la fase hacia tierra, generando una via de aire ionizado que se convertirá en una falla a tierra. Si el rayo descarga sobre el cable de guardia (casi el 100% de las veces) se generará dos ondas viajando en sentidos opuestos desde el punto de descarga. En este caso se elevará el voltaje del cable de guardia y al avanzar la onda hará aumentar el voltage en las estructuras de soporte. Se produce entonces una situación donde la estructura queda momentáneamente a un voltaje muy superior al voltage normal de 50Hz de los conductores de fase. Por lo tanto los aisladores o cadenas podrían quedar sometidos a un voltaje excesivo de la estructura respecto a las fases, y producirse una descarga desde la estructura hacia el conductor de fase. A esto se le conoce como “descarga inversa”, “flameo inverso” o “backflashover”.
A medida que las ondas de la descarga del rayo viajan en sentidos opuestos, se van disipando a tierra a través de las estructuras y las correspondientes mallas de tierra de cada una de ellas (mostrada en el diagrama como impedancia Zt ). Las corrientes desdendentes desde el cable de guardia a través de las estructuras (mostradas como It ), pasando por las mallas de tierra generarán una elevación de voltaje de la estructura equivalente al producto de la corriente descendente por la impedancia de cada malla de
tierra (es importante mencionar que dada las altas frecuencias representativas de la descarga, la impedancia Zt corresponde a la impedancia de onda de la malla de tierra y no solo a la resistencia). A medida que la onda de corriente avanza por la linea, se va disipando progresivamente por las conexiones a tierra de las estructuras. El cálculo de esta atenuación depende de varios factores entre los que se cuenta la geometria de la linea, el valor de resistencia a tierra de cada estructura, las caracteristicas de los conductores, etc. Para el calculo de esta atenuación se requiere el uso de softwares especializados en modelación de transientes electromagnéticos (ATP, EMTP o similares). Sin embargo de acuerdo a diversas estimaciones, la magnitud de la corriente peak avanzando por una linea luego de una descarga, decae significativamente en los primeros kilometros de la onda (unas 20 estructuras). Si existen tierras conectadas en el sistema de conductores afectado por un rayo, habrá por ellas circulación de corriente en la forma de impulsos de corriente. Sin embargo el efecto mas importante de una descarga de rayo, es la posibilidad de iniciar una falla de conductores energizados a tierra, ya sea como resultado de una descarga directa (poco probable) o por el efecto de descarga inversa (backflashover, mucho mas probable). En este caso la descarga de rayo crea una via conductora de aire ionizado, por la cual se inicia la falla a 50Hz. Resumiendo. La descarga de rayo produce tensiones de muy corta duración pero alta magnitud que pueden iniciar una falla a tierra en conductores energizados. El monto de energía de una descarga de rayo no es de alta magnitud comparado con una falla en sistemas de potencia (de hecho la norma NFPA 780, considera suficiente un conductor de sección 2/0AWG para conductores de bajada a tiera en sistemas de protección de edificios expuestos a rayos), sin embargo las tensiones producidas son suficientes como para provocar el inicio de una falla a la frecuencia del sistema. Por otra parte aunque la energia asociada a un rayo es baja d esde el punto de vista termico de los conductores, produce altos valores de tension de impulso que pueden afectar a los trabajadores en el sitio de trabajo.
6.2 Inducción capacitiva o electrostática
Un capacitor consiste fisicamente en dos conductores separados por un aislante. En una linea por este efecto, se originan capacitancias entre pares de conductores y entre cada conductor y tierra (que es otro conductor). La aislación la conforma el aire que separa los conductores. Un condensador o capacitancia a la que se le aplica un voltaje alterno, tiene una reactancia capacitiva, que produce una conducción de corriente entre ambos conductores. En el diagrama se muestra las capacitancias entre conductores energizados 1, 2 y 3 respecto al conductor de trabajo “x”. Estas capacitancias C1X , C2X Y C3X se pueden calcular dependiendo de las características geométricas de la linea (diametro de conductores, distancias a tierra, distancias entre conductores y longitud de la linea). Mientras mas larga sea la linea mayores seran las capacitancias asociadas. A su vez el conductor de trabajo tiene una capacitancia a tierra CX0, formando divisores capacitivos con las capacitancias de los conductores energizados 1, 2 y 3. Si los conductores 1, 2 y 3 tienen voltajes sinusoidales v1(t), v2(t) y v3(t) todos con una frecuencia ω = 2πf , donde f = 50Hz, se producirá un voltaje inducido combinado que se puede calcular por superposición de acuerdo a la siguiente ecuación:
Esta tensión respecto a tierra aparecerá en el conductor X cuando este está desconectado de tierra (antes de aterrizar). Se puede observar que este voltaje es independiente de la longitud de la linea y depende solamente de la configuración geométrica y de los voltajes aplicados. Si el conductor X se aterriza, su voltaje se hace cero, al estar conectado a tierra, por lo tanto por la conexión de tierra circulará una corriente que se puede calcular mediante:
Esta corriente quedará circulando permanentemente por el cable de aterrizamiento. Se puede observar que como las capacitancias son directamente proporcionales a la longitud del tramo en paralelo con los conductores 1, 2 y 3, la corriente tambien será proporcional a esta longitud. Es decir para una misma configuracion geométrica, el doble de longitud de linea implicará el doble de corriente circulando por la puesta a tierra. Si ahora se intenta abrir la conexión a tierra, se requiere cortar la corriente circulante capacitiva. Se producirá un arco en el aire, cuya longitud dependerá del valor de corriente circulante (que producirá un camino ionizado por el aire) y del voltaje que intenta sostener esta corriente (voltaje de vacío calculado anteriormente). Un efecto similar se produce en subestaciones cuando se abre un desconectador de tierra de una linea aterrizada paralela a un circuito energizado. Resumiendo, la tension por efecto capacitivo o electrostatico sobre el conductor de tr abajo cuando está desconectado de tierra depende de la geometría (distancias, diametro conductores) y del voltaje de los conductores energizados, pero no de la longitud de la línea. Al estar conectado a tierra, se produce una corriente circulante que depende de la longitud de la linea además de la geometría y del voltaje de los conductores energizados.
6.3 Inducción magnética o inductiva Además del efecto anterior que depende del voltaje del circuito paralelo, existe un efecto de inducción magnético ocasionado por las corrientes circulantes por los conductores paralelos. Cada conductor paralelo, produce un campo magnético alterno que es proporcional a la corriente circulante. Este campo magnético variable, induce una tensión longitudinal en conductores paralelos.
Este efecto inductivo se puede representar calculando las inductancias mutuas entre los conductores con flujo de corriente y el conductor de trabajo. Estos valores de inductancia mutua dependen de los diametros de los conductores, de las distancias entre ellos y de la longitud en que existe el paralelismo.
Si consideramos las inductancias mutuas por unidad de longitud como L1X, L2X, L3X [Ω/km], el voltaje inducido longitudinalmente sobre el conductor X, que cuenta con un punto aterrizado, se puede calcular según la ecuación:
Como este voltaje es dependiente de la distancia, a mayor distancia del punto aterrizado el voltaje se incrementará progresivamente.
Es muy importante notar que este voltaje inducido depende de las corrientes del circuito paralelo, no de su voltaje. Si solo hay un punto conectado a tierra, la corriente por inducción magnética no puede circular por estar su circuito abierto. Sin embargo, si se conecta a tierra otro punto de la linea a tierra, se cerrará el circuito a través del suelo, produciendose una circulación de corriente por efecto de inducción magnética. En este caso a lo largo de la linea se producirá un gradiente de tensión dado por la reactancia serie del conductor aterrizado. El cálculo de la corriente circulante por el conductor de trabajo no es sencillo, ya que debe considerarse adicionalmente el efecto inductivo de la corriente circulando por el suelo en el circuito cerrado. Como el voltaje inducido en el caso de un conductor aterrizado en un punto o la corriente circulante en el caso de un conductor aterrizado en dos puntos depende de la corriente circulante por los conductores paralelos, la situación más drástica se producirá si eventualmente en ese circuito paralelo se produce un cortocircuito, en cuyo caso las corrientes inductoras se elevarán bruscamente a valores muy altos, aumentando proporcionalmente la inducción sobre el conductor de trabajo.
6.4 Efectos combinados inductivos y capacitivos En la realidad, los efectos de inducción capacitiva por voltaje de circuitos vecinos e inductivos por efecto de corrientes paralelas se superponen. El cálculo completo de estas corrientes no es simple, ya que debe considerarse además que los voltajes y corrientes a diferentes distancias no están en fase entre sí. En figura 8 de IEEE Std. 1048, se muestra una gráfica que permite una estimación aproximada de valores esperados para situaciones correspondientes a configuraciones típicas de líneas.
En esta gráfica se muestra en forma superpuesta, valores referenciales de corrientes y voltajes para líneas de doble circuito con un circuito energizado de 100km (círculos) y 200km (letras x) de paralelismo. En el eje horizontal se indica una estimación del voltaje que aparece al abrir una tierra de trabajo y en el eje vertical una estimación de la corriente circulante (por efecto inductivo hacia abajo y capacitivo hacia arriba) al estar la tierra de trabajo conectada. Esta gráfica solo tiene por objeto tener una idea de los rangos de magnitud esperables en situaciones típicas, pero de ningún modo puede usarse para estimación en situaciones reales. Para ello se requiere un conocimiento detallado de la geometría involucrada, tensiones y corrientes en circuito paralelo, longitudes asociadas, etc. y un software de cálculo dedicado a este objeto. Sin embargo muestra que los voltajes inducidos sobre el conductor de trabajo al estar sin conexión a tierra y las corrientes circulantes al estar conectado a tierra, son mayores para líneas paralelas de tensiones nominales menores, lo que indica la importancia mayor del problema en tensiones menores. Por otra parte se observa que las corrientes inductivas circulantes (que circularán en forma permanente mientras la tierra de trabajo esté conectada) alcanzan magnitudes que hacen importante preocuparse de la capacidad de las tierras de trabajo de soportar estas corrientes permanentes (del orden de 320A para líneas de 230kV).
6.5 Energización accidental Esta condición normalmente corresponde a la situación más exigente que debería soportar una tierra de trabajo. Una energización accidental puede ocurrir por diferentes motivos. Entre casos que han ocurrido en la realidad, se puede contar; el cierre accidental de interruptores que alimentan el circuito en trabajo por
error humano, la caída de por corte de conductores en cruces con otras líneas energizadas, el movimiento u oscilación de conductores energizados vecinos por daño en estructuras durante el trabajo, oscilaciones por liberación de hielo acumulado, etc. La duración del voltaje dependerá del tiempo de despeje de las protecciones aguas arriba que detecten la falla. Considerando que es frecuente la ejecución de pruebas y mantenimiento a las protecciones en forma simultánea con trabajos de línea, es posible que algunas protecciones estén temporalmente fuera de servicio, por lo tanto es recomendable considerar el tiempo de operación de las protecciones de respaldo.
6.6 Grapas
6.7 Puntos débiles de una puesta a tierra ante un cortocircuito Eléctricamente hablando una puesta a tierra es una serie de resistencias. Las resistencias eléctricas existentes en una puesta a tierra instalada son las siguientes: • Resistencia de contacto entre el conductor de línea y la grapa. Depende de la calidad y el área efectiva de la superficie de contacto, los materiales y la presión entre la grapa y el cable de la línea. Si existe corrosión en los conductores (normalmente existe) se genera una capa intermedia que tiene el efecto de aumentar esta resistencia. Por otra parte la resistencia eléctrica de este punto depende del apriete que pueda transmitir la persona que instala la tierra (en condiciones normalmente bastante incómodas para hacer el esfuerzo necesario). Por lo tanto es sumamente importante asegurar que las roscas de los pernos estén en perfecto estado de modo de no absorber parte del torque aplicado por el operador, resultando en un apriete deficiente. La observación de la calidad de la superficie de contacto (en la grapa y en el conductor de línea) es también un punto de importancia crítica. Resistencia de la grapa misma. Normalmente tienen una sección significativa y un gran volumen • de material y es difícil que sufra daños que afecten estas características. Por lo tanto es esperable un valor bajo y que no variará en el tiempo en esta resistencia. Resistencia de contacto entre grapas y casquillos del cable de tierra. Este es un punto • especialmente crítico, pues depende de varios factores, como ser el grado de corrosión o limpieza de la superficie exterior del casquillo y del punto de conexión en la grapa, el apriete de los pernos asociados a esta conexión y el área de contacto efectivo entre el casquillo y la grapa. Sin embargo es un punto accesible y fácilmente inspeccionable en taller de mantenimiento. Resistencia entre casquillos y cable de tierra. Es otro punto especialmente delicado. El valor de • resistencia depende de la correcta ejecución del apriete del casquillo (usar dado estrictamente recomendado por el fabricante) y de posible corrosión por humedad acumulada en el tiempo y la existencia de dos materiales diferentes (corrosión g alvánica). Es un punto especialmente difícil de inspeccionar y se ha encontrado tierras donde la corrosión en esta zona es tan alta que el cable se desprende del casquillo. Resistencia del cable de tierra. Los puntos de riesgo son esencialmente aquellos que sufren • esfuerzos mecánicos mayores por la propia manipulación, resultando muchas veces en corte de hebras y disminución de la sección efectiva del cable. Los puntos críticos son las llegadas del cable a los casquillos terminales, donde habitualmente se producen daños sobre el cable y los primeros centímetros aislados del cable, donde por acumulación de humedad se produce corrosión debajo de la chaqueta aislante del cable. Por ser cables multihebras con hebras muy delgadas (flexibilidad) la corrosión los puede afectar muy rápidamente. En caso de prensas a estructuras, es otro punto débil que puede resultar con alta resistencia. Los • factores que influyen son el grado de corrosión superficial, estructuras pintadas, el grado de apriete del perno, la superficie de contacto entre la prensa y la estructura. Si la rosca de los pernos está sucia o corroída, el torque aplicado al apretar el perno debe vencer el torque resistente de la rosca, por lo tanto resultando en una baja presión entre la prensa y la estructura. Este es tal vez el punto más crítico, pues depende de condiciones que solo pueden detectarse en terreno por la persona que instala la tierra. Todos estos puntos de resistencia se verán sometidos a calentamientos importantes en caso de un cortocircuito, y por lo tanto a debilitamiento mecánico ante los esfuerzos electrodinámicos. Son por lo tanto los puntos críticos donde debe asegurarse la calidad de los materiales y su mantenimiento. Elementos fallados deben por lo tanto reemplazarse a la brevedad ya que comprometen seriamente la capacidad de la tierra de soportar los esfuerzos térmicos y dinámicos sin destruirse y en consecuencia la seguridad de las personas.
Las disposiciones mostradas ofrecen la vía de mínima impedancia en paralelo con el cuerpo del trabajador, por lo tanto resultando en el mínimo voltaje interceptado por el cuerpo, en caso de ocurrencia de una falla. El cuerpo del trabajador queda “puenteado” por la conexión de tierra de trabajo, por lo tanto en la situación más segura posible.
En la figura se muestra una situación donde se aterriza en dos estructuras (#1 y #3). La puesta a tierra conecta el conductor de fase a la malla de tierra correspondiente, excepto en la estructura #2 donde está el trabajador. Cada estructura tiene una malla de tierra con resistencia de 15ohm. Al fluir la corriente de falla, se produce una caída de tensión en las mallas de las estructuras #1 y #3, por lo tanto el potencial del conductor de fase en la ubicación del trabajador no es cero, quedando el trabajador sometido a un voltaje letal. El trabajador mostrado a la izquierda está sometido a riesgos por voltajes de paso (caída de tensión en la resistencia del suelo mismo) y potencial de contacto (diferencia de voltaje entre su mano y sus pies si hace contacto con la estructura), por lo tanto también q ueda sometido a voltajes peligrosos.
Resistencia de electrodos o mallas de tierra. En el diagrama se asume (por simplicidad explicativa) un electrodo de tierra (que puede ser una estaca copperweld, o una malla de tierra) con una forma semiesférica conductora. Se asume que la circulación de corriente hacia el suelo no produce caída de tensión en el electrodo mismo. El electrodo está inserto en un medio (suelo) de resistividad ρ [ohm-m]. La corriente fluye por el suelo en forma radial como se muestra con las flechas, divergiendo del electrodo. Las semiesferas cercanas al electrodo tienen una superficie S = 2πr 2 , por lo tanto va aumentando a medida que aumenta la distancia al electrodo. Considerando un cascarón de cierto espesor (entre cara interior y cara exterior), los cascarones de mayor radio tendrán menor resistencia entre sus caras interior y exterior por tener mayor superficie para el paso de la misma corriente. Por lo tanto al circular corriente a través del suelo se producirá un perfil de voltaje en el suelo progresivamente decreciente a medida que aumenta el radio. El voltaje conformará superficies equipotenciales semiesféricas como se muestra en el segundo diagrama, cuyo valor decrece inversamente con la distancia al electrodo. Si la malla o electrodo de tierra no es semiesférico sino otra forma arbitraria, pero de tamaño finito, se pierde la simetría semiesférica, pero de igual modo el voltaje en el suelo irá decreciendo a medida que aumenta la distancia respecto al electrodo. Las superficies equipotenciales no serán semiesferas, sino tendrán una forma más compleja, pero conceptualmente el voltaje en el suelo decrecerá
progresivamente al alejarse del electrodo que inyecta corriente al suelo. Por otra parte los suelos reales no tienen una resistividad homogénea, produciéndose una distorsión mayor de las superficies equipotenciales. En grafica siguiente se muestra el cálculo desarrollado por software de elementos finitos para los potenciales de un suelo con tres capas horizontales de diferente resistividad (indicadas como zonas 1, 2 y 3, separadas por líneas blancas horizontales) donde se inserta una barra vertical que inyecta corriente al suelo (a la izquierda):
El gráfico a la derecha muestra el voltaje resultante sobre el suelo horizontal a medida que aumenta la distancia respecto al electrodo. Las superficies equipotenciales ya no tienen simetría esférica, sin embargo se observa claramente que el voltaje total resultante V0 = 250V del electrodo, decae rápidamente en las cercanías inmediatas del electrodo. Si se pone dos electrodos iguales en paralelo separados a 10m, inyectando corriente en un suelo homogéneo el perfil de voltaje en el volumen se hace más complejo, pero a cierta distancia ya se asemeja a una semiesfera (zona color celeste).
Es importante observar que en la superficie del suelo, se producen voltajes como consecuencia de la corriente circulando por el subsuelo, que retorna hacia la subestación de origen. Los voltajes tiene mayor magnitud en la cercanía de los electrodos que inyectan corriente al suelo (mallas de tierra, barras copperweld provisorias, etc.) y disminuyen progresivamente al aumentar la distancia hasta esos electrodos. Esto produce que las personas en el sitio de trabajo puedan quedar expuestas a diferencias de voltaje riesgosas dependiendo del lugar y de los puntos de conexión del cuerpo con el sistema de conductores y tierra.
7 Cuerpo humano 7.1 Reacciones del cuerpo a corrientes a la frecuencia del sistema El cuerpo humano reacciona a la circulación de corriente eléctrica dependiendo del nivel de corriente circulante. Existe un límite de percepción de la circulación de corriente al contactar un cuerpo energizado.
Luego con corrientes mayores la sensación de que la corriente tiende a apretar los músculos en forma involuntaria (agarre) pero donde todavía es posible soltar con un esfuerzo voluntario. Con niveles más altos de circulación de corriente ya no es posible soltar voluntariamente (límite de liberación). Si esta corriente circula por el pecho, se produce una contracción de los músculos asociados a la respiración, la que se bloquea (tétano pulmonar). Y finalmente con cierto nivel y duración se inicia la fibrilación ventricular, donde la corriente circulante interfiere con las señales que controlan el ritmo cardíaco, el corazón pierde su ritmo automático y puede producirse daño cardíaco severo o la muerte. Esta es la causa más frecuente de muerte por electrocución. De acuerdo a diversos experimentos se concuerda en los siguientes límites: Umbral de sensación
Percepción al contacto Percepción de agarre Límite de liberación
Valor límite (0.5% de las personas) en mA (nota a) Mujeres Hombres 0.09 0.13 0.33 0.49 ----6.00 9.0 ----67 100
Fibrilación ventricular (nota b) Notas: a. 1% de las personas para valores de percepción b. La corriente en que se inicia la fibrilación ventricular es una función dependiente del tiempo en que la persona está sometida a la corriente. Las diferencias entre hombres mujeres se deben a las diferencias del tamaño corporal. Si la corriente circula por el pecho, se estima que el 95.5% de la población adulta con un peso corporal menor a 50kg no experimentará fibrilación ventricular si la corriente circulante se mantiene a un valor inferior al dado por la fórmula de Dalziel:
donde t corresponde al tiempo en segundos en que la corriente está circulando por e l cuerpo, siempre que esté entre 8.3ms a 3s. La misma fórmula con una constante de 157 se aplica para personas con un peso inferior a 70kg. Esta fórmula está bien establecida y es ampliamente reconocida para la estimación de los límites de seguridad en sistemas eléctricos en diversas normas.
7.2 Resistencia óhmica del cuerpo humano Para calcular el valor de corriente circulante por el cuerpo, conociendo el voltaje aplicado de contacto, se elige un valor estimado de la resistencia del cuerpo de la persona, de la ropa que está usando, zapatos y equipamiento de aterrizamiento. En la siguiente figura se muestra las resistencias en serie que se consideran para determinar los voltajes seguros de contacto.
En este diagrama RB corresponde a la resistencia del cuerpo, considerando la resistencia de la piel al contacto. La resistencia de la piel varía en amplios rangos según muchas variables. El gráfico siguiente muestra la variación de la resistencia del cuerpo RB según el voltaje aplicado y del grado de humedad de la piel.
La resistencia de la ropa (en el caso de contacto corporal) o de los guantes (en caso de contacto a través de la mano) pueden tener valores bastante altos, normalmente no se consideran en cálculos de seguridad a las personas, quedando como un margen adicional de seguridad. La resistencia entre cada pie hasta la “tierra remota” (Rg en el diagrama) se calcula habitualmente como RG = 3 ρS , donde ρS es la resistividad del suelo. Valores típicos de RG (en ohm) que pueden utilizarse son los siguientes: para suelo orgánico mojado = 30 • para suelo húmedo = 300 • para suelo seco = 3000 • • para suelo rocoso = 30000
7.3 Tensiones de aplicadas al cuerpo humano
Cuando un conductor aterrizado se energiza, la corriente que fluye por el sistema de aterrizamiento y partes aterrizadas, puede resultar en diferencias de voltaje potencialmente peligrosas si el sistema de tierra de protección es inadecuado. Hay dos situaciones que se deben considerar.
La primera es las tensiones a que queda sometido el trabajador que está sobre la estructura o poste como se muestra en la figura superior. En este caso lo importante es el valor de voltaje que aparece en la tierra de protección al circular la corriente de falla por las resistencias propias de la tierra (resistencia de grapa, cable, prensas de conexión, etc.). Si bien estas resistencias pueden ser bastante bajas, deben soportar la totalidad de la corriente de falla. La segunda situación tiene relación con los trabajadores que están en los alrededores inmediatos de la estructura o electrodos de tierra o en contacto directo con estos electrodos o partes del circuito de tierra. Básicamente se considera y calcula la exposición a dos tensiones representativas, que son las que se indican en figuras a continuación:
El voltaje de contacto tiene relación con la diferencia de voltaje a que queda sometido el operario entre sus manos al tocar una estructura, cable o electrodo que se energiza por la falla, y sus pies. Como se indicó anteriormente, en el suelo se producen voltajes que van disminuyendo al alejarse del electrodo que inyecta la corriente de falla al suelo, por lo tanto se genera una diferencia de potencial entre sus manos y sus pies. Se considera normalmente los pies a 1 metro de distancia del electrodo o estructura energizada. En el diagrama se muestra además el circuito que se utiliza para calcular el voltaje máximo que puede soportar el operario, para evitar la circulación de corriente por su cuerpo de un valor superior al máximo según Dalziel.
El voltaje de paso corresponde al voltaje aplicado entre los pies separados a un metro de distancia (un paso) por efecto de la diferencia de voltaje entre ambos puntos del suelo. Se indica también el circuito que se utiliza para estimar la corriente circulando por el cuerpo del operario.
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