EL ABC DE PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS

EL ABC DE PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS CONTRA CONTRA LOS TRANSITORIOS TRANSITORIOS ELECTRO EL ECTROMAGNÉTICOS MAGNÉTICOS Parte II PROTECCIÓN PROTECCIÓN CONTRA CONTRA LAS LA S SOBRETEN SOB RETENSIONE SIONES S Gilberto Enríquez Harper

UIE-CFE ESIME-IPN MÉXICO

RESUMEN

A pesar de que la calidad en la realización de una red de tierras equipotencial es el elemento que representa la entrada a la reducción de los efectos del rayo, la protección contra el mismo en una instalación se debe completar con la utilización de dispositivos de protección contra sobretensiones, especialmente los conductores provenientes del exterior (energía eléctrica, telecomunicaciones, cables de antena, etc.), de manera que además de estudiar las causas de sobretensiones, se deben considerar las componentes de protección, así como todas las reglas que se deben respetar, incluyendo los efectos de potenciales de transferencia.

2. LA S SOBRETENSIONES EN LA RED ELÉCTRICA.

La sobretensión presentada sobre la red eléctrica de una instalación puede tener distintos orígenes, como se muestra en la siguiente figura:

3

4

1

2

1. INTRODUCCIÓN.

La protección contra el rayo de líneas de transporte de energía no es parte de lo que se pretende estudiar en este trabajo, ya que el enfoque es hacia las redes eléctricas de baja tensión , considerando que los usuarios finales de servicio eléctrico deben considerar en sus instalaciones los aspectos de seguridad y de protección de equipos sensibles, por lo que se hace referencia a tres aspectos fundamentales: la aplicación de los dispositivos de protección, el efecto de la conexión a tierra y la coordinación de las protecciones.

TRANSFORMADOR AT/BT

TIERRA DE LAS MASAS O ESTRUCTURAS

TIERRA DEL NEUTRO

ORIGEN DE LA SOBRE TENSIÓN EN LA RED DE BA JA TENSIÓN

1. Un impacto de rayo directo sobre la red de distribución se transmite parcialmente sobre la red de baja tensión (BT), el riesgo más importante es el de una falla dieléctrica en el transformador; pero en la gran mayoría de los casos, los problemas están relacionados con

Unidad de Ingeniería Especializada- Comisión Federal de Electricidad Ródano 1-10°Piso, Col. Cuauhtémoc. MÉXICO CP 06598

un acoplamiento entre la tierra y el pararrayos y la tierra y neutro. 2. Un impacto sobre la red de baja tensión es el riesgo más severo y provoca en la mayoría de los casos importantes daños en los usuarios, es especialmente crítico en regiones con alta densidad de rayos a tierra, con sistemas de distribución aéreos. La probabilidad normalmente es baja en las redes de baja tensión, para un nivel ceráunico de 30, la probabilidad es del impacto en 20 años por cada kilómetro de línea. 3. Un rayo indirecto en la proximidad de una red de baja tensión, induce una sobretensión por acoplamiento electromagnético, varias veces de menor energía que una descarga directa, este es el caso más frecuente. 4. Un impacto del rayo al suelo en la proximidad de la instalación provoca una elevación de potencial de la tierra de conexión de las carcazas y estructuras con relación a la tierra del neutro. Este fenómeno se refuerza por la presencia de pararrayos en la instalación que tiene el riesgo de inyectar corrientes fuertes en la red de tierra. CONEXIÓN DE DATOS

La causa principal de las sobretensiones en las conexiones para datos, es el acoplamiento campo a malla para una descarga de tipo indirecto. La práctica de abrir las redes de tierra y sus efectos reductores permite limitar estas sobretensiones. Para las líneas de señales provenientes del exterior de un edificio o construcción, el riesgo es mucho más importante, cuando no es posible la instalación de dispositivos de efectos reductores, entonces se deben proveer de apartarrayos a la entrada del edificio, esto es por ejemplo, el caso de los cables coaxiales de las antenas. También las redes de telecomunicaciones están sometidas a fuertes sobretensiones de modo común, porque están referenciadas a la conexión a tierra de la central telefónica, que puede estar a gran distancia con respecto a la instalación; las consecuencias pueden ser severas, ya que a los servicios de telecomunicación se referencían a los equipos como el Fax, Módem, etc.

Las componentes contra las sobretensiones se denominan en forma indistinta: limitadores de sobretensión, descargadores, pararrayos, varistores, MOV, etc. Su función es la de actuar contra las sobretensiones. Las principales características de un limitador de sobretensión son su tensión residual, su tensión de inicio de conducción, los tiempos de respuesta, su robustez (energía máxima admisible), etc. Los principales tipos de componentes son: •

Descargadores de gas.

•

Varistores.

•

Diodos transil.

•

Pararrayos.

4. COORDINACIÓN DE PROTECCIONES

No existe una componente de protección contra sobretensiones que pueda evitar una tensión residual de salida con una descarga atmosférica. La instalación de un pararrayos con un valor Imáx de algunas decenas de kiloamperes en la entrada de una instalación no permite garantizar la protección del material contra tensiones residuales elevadas. Instalar apartarrayos de un valor residual débil no es posible porque existe el riesgo de ser destruido a la primer sobretensión, esto hace necesario que se coordinen las protecciones. Cuando se tiene un apartarrayos con una tensión residual que es compatible con el material a proteger, pero que está a una distancia grande entre los dos elementos, entonces se requiere la puesta en cascada de más protecciones.

ALGUNOS k V

kV

ALR EDEDOR DE 100 V

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES

3. COMPONENTES DE LA PROTECCIÓN


ALR EDEDOR DE 10 V

D > 30 m

MATERIAL TENSIÓN RESISTENTE AL IMPULSO 2 kV V P = 1.5 kV

estas conexiones no pueden soportar tales sobretensiones y son necesarias las protecciones por apartarrayos. Un valor de resistencia de tierra bajo no es suficiente para asegurar la protección de un sitio. I = CORRIENTE DEL RAYO

3 kV MÁX 1.5 kV

1.5 kV

LÍNEA LARGA (IGUAL SUBTERRÁNEA) APARATO ELÉCTRICO

RIESGO DE OSCILACIÓN

Vz

Ph N

Vmc

R.I

R = RESISTENCIA DE TIERRA

Vv

Ve

INFLUENCIA DE TIERRA EN UNA DESCARGA DIRECTA

Ve< Vz + Vv

DESACOPLAMIENTO DE L AS PROTECCIONES

Cuando dos apartarrayos se montan o instalan en cascada, el elemento más débil no debe impedir el funcionamiento del apartarrayos de entrada. Puede ser necesario en este caso colocar una impedancia serie entre los dos módulos. El valor habitualmente usado es de 30 µH, si la distancia entre los dos niveles de protección es un valor superior a 50, esta inductancia serie no es necesaria y el desacoplamiento se asegura por cable.

L A D E SC A R G A EN U N A L ÍN E A E X T E R I O R

En los edificios o construcciones normalmente llegan líneas de alimentación eléctrica o de telecomunicaciones, en particular aquéllas que son aéreas tienen el riesgo de estar sometidas a una diferencia de potencial, es el caso de las descargas directas a las instalaciones. Sobre todo las que están instaladas a potenciales de tierra distintos (tal es el caso de las conexiones estrella/estrella) o aquellos que son impactados directamente de la línea.

5. EL PAPEL DE LA TIERRA EN LA PROTECCIÓN CONTRA LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS a) EL CASO DE DESCARGAS DIRECTAS .

El papel de la red de tierras es el de conducir las corrientes que vienen del exterior, por lo tanto, su función es relevante; sin embargo, un problema que ha sido importante de considerar es determinar el valor apropiado de la resistencia de tierra. Si se supone un sitio con un excelente valor de resistencia de tierra 1/ Ω si debe conducir una corriente de 80 KA, el sitio va a tener un potencial de V=RI= 1( Ω) x80 (kA)=80 kV, para un sitio aislado del mundo exterior esta elevación no tiene ninguna consecuencia, pero en casi todos los casos, las instalaciones están relacionadas con el mundo exterior por una alimentación eléctrica y por las líneas de telecomunicaciones. Las interfases de

A B

R = RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

INFLUENCIA DE LA TIERRA EN L A EFICACIA DE UN PARARRAYOS

En la figura anterior, la conexión que debe tener una baja impedancia para proteger a la computadora personal (micro-ordenador) es la correspondiente a la unión A, la conexión B es la de puesta a tierra del equipo y debe garantizar una muy baja diferencia de potencial.


b) IMPACTO DE DESCARGAS INDIRECTAS .

Las tensiones inducidas en los sistemas electrónicos, debidas a una descarga indirecta, son por radiación y por efecto de malla, y es evidente que en este caso la resistencia de tierra de la instalación no tiene ninguna influencia sobre los efectos de tal fenómeno.

conexiones a tierra puntuales, a menos que estén situados muy próximas (pocos metros) del sistema de conexión a tierra de alta tensión o tengan un área extensa. En el caso más simple, como es el de la conexión a tierra única de aparatos, por ejemplo, de tipo electrodomésticos (hornos de microondas, máquinas lavadoras de ropa, lavavajillas, etc.), como se muestra en la siguiente figura:

Por otra parte, el valor de la resistencia de tierra tiene menor influencia en la protección contra descargas indirectas; sin embargo, las variaciones en el valor de la resistencia de tierra pueden tener importancia en la disipación de las corrientes del rayo, sobre todo cuando hay problemas de vitrificación del suelo, aspecto que degrada la electricidad de la conexión a tierra, por lo que la red de tierras de la instalación es necesaria.

APARATO

I

i

i

Rb

RESIDENCIA PRÓXIMA

Ra

V

Va Vb

6. POTENCIAL DE TRANSFERENCIA

En las mallas de tierra o sistemas de aterrizamiento, una elevación de potencial se manifiesta también en un área circundante a cualquier elemento conductor en contacto con el suelo o dentro de esta área adquiere una parte de tal potencial. Cuando el elemento tiene una cierta extensión, este potencial se transfiere a partes remotas, y al ser tocado, puede causar choques eléctricos debido a los llamados potenciales de transferencia. Los casos más comunes donde se pueden presentar potenciales de transferencia son los que se indican a continuación: 







Conexiones a tierra individuales pequeñas instalaciones o aparatos.

de

Conexiones a tierras de cercas. Conexión del neutro en redes de baja tensión. Conexiones a tierra de retenidas de acero de soporte de cables telefónicos aéreos.

En esta condición, se tiene que la corriente de choque es: i

=

(Va − Vb) ( Ra + Rb)

Cuando la diferencia de potencial es grande, el valor de i puede ser aceptable. A continuación se indica un caso simple de una subestación eléctrica instalada en una zona urbana vecina a una residencia, en donde se tiene un aparato electrodoméstico conectado a tierra. Durante un cortocircuitio de 2000 A con una duración de 0.5 segundos, se inyecta la corriente no sólo a través de la malla de la subestación. En ese instante una persona está tocando una parte conectada a tierra del aparato, siendo sometida a un choque eléctrico que se calcula como se indica a continuación: MALLA DE LA S.E.



Ductos telefónicos enterrados.



Ductos metálicos de agua enterrados.

30 m

A 0 0 0 2 .

E. S A L E D O R U M

5m

6.1. C O N E X I O N E S A T I E R R A I N D I V I D U A L E S DE PEQUEÑAS A P A R A T O S .

INSTALACIONES

O

ATERRIZAMIENTO DOMÉSTICO RESIDENCIA APARATOS ELECTRODOMÉSTICOS 15 m

30 m

DE Va = 1840 V i

El análisis de este caso es relativamente simple, ya que en general se trata de conexiones a tierra por medio de electrodos de punta de tamaño de 1.0 a 2.0 metros, que se pueden considerar como

m 5. 0 m 2

Rb

Vb = 940 V d

Ra


1 = 500 Ωm 1 = 100 Ωm

Para los datos de resistividad del terreno, usando el método de las dos capas, se tiene un perfil de potencial con respecto al suelo, como se muestra en la figura, una corriente recorre el cuerpo de una personal, el valor de la corriente es: i

=

(Va − Vb) ( Ra + Rb)

El valor de Ra se puede estimar con una fórmula simplificada, suponiendo un electrodo de 1.0 m de largo y 0.01 m de diámetro, enterrada en un terreno de resistividad 500 ohm-m. Ra

=

ρ

ln

2π l

4l d

=

500

ln

2π x1.0

4 x 1.0

CABLES TELEFÓNICOS AÉREOS

Durante un cortocircuito de fase a tierra, en una subestación eléctrica o en una línea de transmisión, el neutro de un circuito de baja tensión (220/127V) situado en las proximidades de la conexión a tierra en varios puntos, asume una determinada tensión que es transferida a través del suelo. Esta tensión se introduce en las residencias, de modo que se deben verificar algunos límites: 

≅ 500Ω

0.01

Rb es una suma de la resistencia del campo de una persona (supuesto de 1000 ) de la resistencia de los zapatos (considerando cero) y de los pies, éste último de difícil evaluación y que se puede despreciar, de modo que: i

CONEXIÓN A TIERRA DE NEUTROS DE BAJA TENSIÓN Y



= (1840-90) / (500 + 1000) = 600 mA.

Este valor es mayor que el máximo tolerable (alrededor de 150 mA). Para reducir este valor, se debe hacer Va ≅Vb, es decir, que el local de conexión a tierra doméstico y el local del aparato estén posicionados próximos a una misma línea equipotencial.



6.2. C O N E X I Ó N A T I E R R A D E C E R C A S

En esta parte se estudia el cálculo de la corriente de toque en una cerca conectada a tierra, como consecuencia de la elevación de potencial en el suelo en los puntos de conexión a tierra de la cerca.

Cuando el neutro es accesible al contacto de las personas en el interior de las residencias (conexión a tierra de aparatos a través del neutro, etc.), se deberán observar los límites de los potenciales fijados. Cuando el neutro no está accesible, conviene adoptar un cierto límite, a manera de minimizar eventuales daños a los aparatos electrodomésticos en general. Debido a la dificultad de establecer este límite, se considera prudente no superar un valor de 250 V para las redes de 220/127 V y de 400 V para las redes de 440/220 V. En los casos donde no sea fundamental la protección de aparatos, se puede adoptar un valor de 600 V, por el nivel de aislamiento de referencia en baja tensión. Los valores superiores se tornan peligrosas y pueden ser también causa de incendios.

En el caso de conexión a tierra de retenidas de acero o cables de acero de soporte de cables telefónicos aéreos, el aislamiento no se debe romper, ya que se pueden introducir tensiones peligrosas en circuitos telefónicos residenciales. En general, los cables telefónicos aéreos tienen un valor alto de aislamiento del conductor/blindaje.

I i

Rb

Ra

Rx

Rn

El proceso de cálculo de estos dos casos difiere de los casos anteriores por los siguientes aspectos: 

Va

Vb

Va

1 i

=

Ra

+ +

Vb Rb

1 Rb

Vx



En esta situación: Ra

Vn

+ ... + + ... +

Vn Rn

1 Rn

+ +

Vx Rx

1

Inclusión en el cálculo de las impedancias entre los varios puntos de conexión a tierra del circuito afectado. Existencia de varias fuentes de sobretensión, como por ejemplo, los varios postes de una línea de transmisión urbana, mostrada en la siguiente figura:

− Vx

Rx

Rx


TORRE EN C.C.

PORCENTAJE DE LAS DESCARGAS

V

V

CABLE DE GUARDA FASE EN C.C.

( + R b i )

Ra

Rb

V

Vb

Vn

= Va − Ra − i = Vb + Rb.i

Va i

=

Va − Vb

v = Ra 1

y

Ra + Rb

Ra

+ +

Vb Rb

1 Rb

Con varios puntos de conexión a tierra de valores Ra, Rb, Rc1..., Rn interconectados por un conductor, como se muestra en la figura, se tiene:

B Ra

v

Donde los valores de Va, Vb, Ra y Rb son datos del problema, también:

Va A

Vb

Rn

El análisis de la interferencia conductiva se puede hacer como si se tratara de conexiones a tierra puntuales, como el mostrado en la figura (caso de una malla de tierra de una subestación eléctrica) y dos electrodos de tierra auxiliares a base de pequeños electrodos de varilla que tienen resistencia Ra y Rb interconectados.

MALLA DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA

Va =

( _ Ra i )

Se tiene entonces que: Va

i

i

+

LÍNEA DE BAJA TENSIÓN Y CONDUCTORES TELEFÓNICOS

− Ra ia = Va

Vb + Rb ib

= Vb

...

Rb

Vn + Rn in

= Vn

La inyección de una corriente en la malla de tierra de la subestación provocará una distribución de potenciales en el suelo que está representada por la curva de la siguiente figura:

LÍNEA DE POTENCIAL A LO LARGO DEL ELEMENTO COMÚN

Va

a

Vb

Zb

V Ra

c

b

Za

Vc

n

Zc

Zn - 1

Rc

Rb

Vn Rn

MALLA DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA

A

B

d

A través de los electrodos de punta (varilla) A y B circulará una corriente i , dado que estos electrodos están a potenciales diferentes y unidas por un conductor eléctrico. En este caso, si se desprecia la impedancia del conductor, el potencial V 1 a lo largo de este elemento es constante. La circulación de i por A y B causará la aparición de potenciales –Ra.i y +Rb.i, que por superposición producirán una nueva curva de potenciales en tierra, como se muestra en la figura:

Supóngase como ejemplo un circuito de distribución típico en 220/127 volts que tiene una configuración como la mostrada en la figura, la red tiene alrededor de 30 postes por circuito, aterrizados cada 3 postes con una varilla (electrodo) de 2.4 m de largo. Cada poste atiende en promedio a 3 consumidores y cada entrada de consumidor tiene un electrodo de varilla de 1.2 m. RED 13.8 kV

RED 220 / 127 V

P.15

TRANSFORMADOR

P.1

P.1 20 Ω


P.2 ~ 35 m

P.15

Suponiendo que uno de los electrodos de 2.4 m está aterrizado a 5 m de la malla de tierra de una subestación que tiene un potencial en ese punto de 1840 V cuando circula por la malla una corriente de 2000 A en tierra, suponiendo que ninguna de las otras conexiones a tierra del circuito de distribución están afectadas por potenciales a tierra (creados por otras instalaciones cercanas), el potencial al neutro toma un potencial cuyo valor se calcula como: 1 x v=

1840 100

+ 9 x

0.0

+ 1 x

0.0

100 20 10 1 90 + + 100 20 500

+

90 x0.0 500

= 55V

Este valor es aceptable y permitirá una resistencia a tierra hasta de 100 Ω. 6.3. D U C T O S T E L E F Ó N I C O S E N T E R R A D O S

En esta parte se trata del potencial de transferencia provocado por una línea de transmisión o una subestación eléctrica sobre los cables telefónicos enterrados en las proximidades y queda como resultado una elevación de potencial del suelo durante las fallas a tierra (interferencia por efecto conductivo). Se debe verificar que el máximo potencial del suelo en contacto con el ducto no supere al aislamiento de éste. A tal efecto, se debe revisar la configuración usada por las empresas de telefonía. •

Tipo y nivel de aislamiento del cable entre blindaje y conductor.

•

Tipo de ducto (PVC) espesor de la pared y diámetro.

•

Profundidad media (1.2 – 1.5 m) debajo de la superficie del suelo. Los conductores deben soportar del orden de 50 kV durante 3 segundos.

puede despreciar en el caso de subestaciones eléctricas o cuando el ducto es perpendicular a una línea de transmisión para los fines de cálculo, el ducto se puede considerar como una línea de transmisión larga con parámetros distribuidos, entonces sus características eléctricas principales son su impedancia característica Zo y su instante de propagación σ . CONCLUSIONES

Los problemas de las sobretensiones que se presentan en las líneas de transmisión de alta tensión se transmiten a las instalaciones eléctricas de media y baja tensión, ya sea en forma directa o a través de los cables conductores de energía eléctrica o de telecomunicaciones, también las instalaciones eléctricas cercanas a las construcciones pueden introducir problemas a través de las conexiones a tierra, durante las condiciones de cortocircuito. Este tipo de efectos por transitorios electromagnéticos puede producir daños en equipos y aparatos que operan en baja tensión, debido a esto, se deben evaluar los riesgos de falla y adoptar las medidas de protección y la coordinación entre los dispositivos de protección usados para garantizar una solución satisfactoria. BIBLIOGRAFÍA 1.

Transmission Live Grounding. Epri Project 1982.

2.

Earth Conduction Effects in Transmission Systems. Ed. Sunde.

3.

Sistemas de Aterramento. J. AM. León. Erico Brasil.

4.

IEEE Guide for Measuring Ground Resistance and Potential Gradients in the Earth.

5.

Manual Design Consideration For Over head AC Transmission Lines and Gas Pipelines. EPRI Project 742.

6.

Notas de transitorios Electromagnéticos. G.Enríquez Harper. ESIME-IPN.2000.

6.4. D U C T O S M E T Á L I C O S D E A G U A

Aquí se tratan los efectos producidos por una línea de transmisión sobre un ducto metálico que contiene agua y está en las proximidades. El proceso de cálculo toma en consideración la interferencia electromagnética (resultante del acoplamiento magnético entre el ducto y los cables conductores y cable de guarda en una línea de transmisión. La interferencia electromagnética se Unidad de Ingeniería Especializada- Comisión Federal de Electricidad Ródano 1-10°Piso, Col. Cuauhtémoc. MÉXICO CP 06598

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