Malla 1 3

TEXTO DE ESTUDIO

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT Debido

a que las instalaciones y equipos eléctricos habitacionales, comerciales e industriales son manipuladas por personas, estas deben cumplir con la Norma NCH4-2003 en los aspectos esencialmente de seguridad, que eviten contacto eléctrico directo e indirecto con el usuario. Por lo anterior la instalación eléctrica debe ser puesta a un electrodo eléctrico emplazado en un terreno o suelo tal, que permita hacer operar los dispositivos de seguridad de tablero en un tiempo dado y limite los niveles de corriente y/o voltaje a valores prescrito en Norma, que bajo ninguna condición signifique un peligro al usuario final.

DANIEL VÍCTOR HENRÍQUEZ SANTANA

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA TIERRA BT - MT ********* AUTOR : Daniel Víctor Henríquez Santana, Ingeniero en Electricidad de la Universidad de Santiago de Chile. Diplomado en Evaluación de Proyectos de Inversión en la U. de Chile Facultad de Economía. Licencia SEC clase A. Relator externo de la UNIVERSIDAD DE CHILE Cenet en Electricidad avanzada, gestión de proyectos y administración de Servicios Técnicos. Contacto: www.dhsing.cl , dhs [email protected] 08-3524371.

DERECHO DE AUTOR Derecho de Propiedad Intelectual Nº 168.591 vigente desde el 17/1/2008. Ley Chilena sobre Propiedad Intelectual Nº 17.336. Se prohíbe la reproducción total o parcial de éste texto de estudio para fines comerciales. Como así mismo, su tratamiento informático, o la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopias, por registros u otros métodos, sin la autorización expresa en forma escrita por el autor .

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

PRÓLOGO Debido a que las instalaciones y equipos eléctricos habitacionales, comerciales e industriales son manipuladas por personas, estas deben cumplir con la Norma NCH4-2003 en los aspectos esencialmente de seguridad, que eviten contacto eléctrico directo e indirecto con el usuario. Por lo anterior la instalación eléctrica debe ser puesta a un electrodo eléctrico emplazado en un terreno o suelo tal, que permita hacer operar los dispositivos de seguridad de tablero en un tiempo dado y limite los niveles de corriente y/o voltaje a valores prescrito en Norma, que bajo ninguna condición signifique un peligro al usuario final. Por tanto, se deben realizar estudio del terreno, cálculos de electrodos, comprobación final de la resistencia puesta a tierra real y este análisis traducirlo a un Estudio Técnico para el cliente o empresa.

El Autor

INDICE MATERIAS

.

1. NORMA ELÉCTRICA Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN 1.1. Origen del riesgo para las personas......................................................................................................1 1.2. Contacto directo e indirecto Norma NCH4-2003...................................................................................2 1.3. Medidas de protección contra contactos eléctricos...............................................................................8 1.4. Medidas de protección clase A...........................................................................................................10 1.5. Medidas de protección clase B...........................................................................................................14 1.6. Condiciones de operación de disyuntores y fusibles…………............................................................17 1.7. Condiciones de operación de interruptores diferenciales...................................................................18 1.8. Calculo de la corriente de cortocircuito……........................................................................................23 1.9. Componente de la corriente de cto cto...............................................................................................27 1.10. Perdidas e impedancia porcentual de Subestaciones.......................................................................28 1.11. Cortocircuito monofásico y trifásico...................................................................................................29 .

2. ESTUDIO GEOELECTRICO DEL TERRENO 2.1. La puesta a tierra............................................................................................. 36 2.2. Resistividad del terreno........................................................................................................................36 2.3. Factores que determinan la resistividad del terreno.............................................................................37 2.4. Estudio del terreno, .Fundamentos Fisicos y Schlumberger................................................................. 40 2.5. Mediciones, Estratos, Curvas Orellana y Mooney, Papel Log ..............................................................48 2.6. Resistividad equivalente del terreno, según Yakobs............................................................................59 2.7. Procedimiento de calculo de Malla a Tierra .........................................................................................60 2.8. Resistencia de un electrodo vertical.....................................................................................................62 2.9. Resistencia de un electrodo enmallado horizontal...............................................................................63 2.10.. Método de calculo por Laurent..........................................................................................................63

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

2.11. Método de calculo por Schwarz..........................................................................................................64 2.12.. Sección minima según ONDERDONK............................................................................................. 66 2.13. Estudio geoeléctrico del suelo........................................................................................................... .. 67 2.14. Configuración y formulas de Schlumberger ......................................................................................68 2.15. Separación en mts electrodos según Schlumberger ........................................................................70 2.16. Información obtenida en terreno .......................................................................................................72 2.17. Resistencia de muestras y resistividad aparente por estratos ).........................................................73 2.18. Interpretación de los estratos del terreno ......................................................................................... 75 2.19 Comparación de Curvas Orellana y& Mooney ....................................................................................77 2.20 Formula de Yakobs y resistividad equivalente del terreno ................................................................79 2.21 Hoja de resumen toma de datos en terreno ......................................................................................80

3. DISEÑO DEL ELECTRODO MALLA A TIERRA EN BT 3.1. Análisis de parrafo y Tabla NCH4-2003 .............................................................................................83 3.2. Mallas tipicas superficie y resistencia a tierra.....................................................................................85 3.3. Calculo de Resistividad equivalente del terreno ..............................................................................86 3.4 Calculo por el método de Schwarz ....................................................................................................88 3.5. Calculo de un eléctrodo vertical..........................................................................................................90 3.6. Calculo de malla por metodo de Laurent............................................................................................90 3.7. Materiales, uniones y punto de medición Rpt.....................................................................................92 3.8. Medición de resistencia puesta a tierra…………………………………………………..….……………… 95 3.9. Mejoramiento del terreno y electrodo..................................................................................................97 3.10. Malla y electrodos verticales. calculos..............................................................................................98

4. DISEÑO DE ELECTRODO MALLA EN MEDIA TENSIÓN 4.1. Corriente máxima seguridad según .......................................................................................................102 Dalziel 4.2. Norma 4-2003 y gradiente de potencial............................................................................................103 4.3. Voltaje de paso y voltaje de contacto................................................................................................103 4.4. Condiciones de diseño de una malla a tierra MT..............................................................................106 4.5. Metodología por Laurent y Koch......................................................................................................106 4.6. Potenciales de malla y paso máximo ...............................................................................................106 4.7. Tabla parametros para determinar mallas.........................................................................................108 4.8. Ejemplo de calculo resistencia puesta a tierra y electrodo................................................................110 4.9. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………….…………..116


Parte

1

Norma Eléctrica y dispositivos de protección

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

1 INGENIEROS RELATORES

1.1 ORÍGENES DEL RIESGO PARA LAS PERSONAS La electricidad es una de las energías de más amplio y variado uso en la actualidad, por lo que podemos encontrarla en prácticamente todos las aplicaciones. Es limpia, en alguna medida económica (si la comparamos con otras fuentes), es fácil de generar, y además, puede transformarse en otros tipos de energía (lumínica, mecánica, etc.), pero lamentablemente su uso, conlleva a riesgos tanto para las instalaciones como para los propios usuarios de estas. Evitar que la electricidad dañe a instalaciones, equipos y fundamentalmente a usuarios, es una de las premisas principales dentro del diseño de una red interior. La protección adecuada y efectiva, especialmente de los usuarios de las redes eléctricas interiores, se realiza por medio del uso de diferentes elementos siendo mayormente utilizados las puestas a tierra y especialmente los dispositivos diferenciales, ya que estos contribuyen a lograr la tan necesaria óptima protección a los usuarios contra los accidentes de origen eléctrico. Los accidentes eléctricos que pueden sufrir los usuarios de las instalaciones interiores de baja tensión, pueden ser debidos a negligencia de ellos mismos, o bien, a que la red eléctrica sufrió una falla de aislación, lo que provoca que en la carcaza de un equipo que normalmente no está energizado, aparezca una tensión peligrosa. Si analizamos las causas que originan los accidentes por descargas eléctricas podremos encontrar que, en un amplio porcentaje, las medidas de seguridad previstas no fueron suficientes para garantizar la seguridad de los usuarios, o bien no estuvieron correctamente aplicadas e, incluso, que con el paso del tiempo su capacidad protectora había disminuido. Para poder prevenir los accidentes debidos a la corriente eléctrica es necesario adoptar medidas de protección adecuadas a los posibles riesgos que puedan presentarse. Estas medidas implican la elección cuidadosa de los elementos preventivos que hagan a las instalaciones eléctricas fiables y seguras, tanto para las personas como para ellas mismas. Las instalaciones eléctricas interiores podrán dejar de ser seguras para sus usuarios, cuando en ellas se presenten dos situaciones perfectamente definidas, denominadas contactos eléctricos. La primera tiene relación con el concepto de la acción insegura, es decir, la persona toca directamente el o los conductores de alimentación por alguna causa cuando estos se encuentran energizados; mientras que la segunda, se relaciona con el concepto de la condición insegura, es decir, con la situación en donde el usuario accede a la fuente de alimentación por medio de la carcaza de algún equipo que está accidentalmente puesta bajo tensión. Por todo esto podemos decir, que conceptualmente existen dos tipos generales de contactos eléctricos, los directos, que se relacionan con el propio usuario, y los indirectos, que se asocian al estado de las instalaciones eléctricas.

2



1.2. CONTACTO DIRECTO E INDIRECTO El contacto directo se define como la situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo, un punto del circuito eléctrico de alimentación que en condiciones normales se encuentra energizado. Esta unión entre el usuario y la instalación, puede presentarse en dos formas distintas, una cuando la persona se encuentra aislada de tierra, y la otra cuando no lo está.

Persona Aislada del Suelo Este caso corresponde a una persona que establece contacto entre el neutro y la fase de la instalación (considerando un circuito monofásico), estando aislado de tierra.

Circuito eléctrico del contacto directo aislado del suelo Si analizamos la situación mostrada en la figura , podremos darnos cuenta que desde el punto de vista de circuitos eléctricos, el usuario al estar aislado de tierra, se comporta como una carga más del sistema.

Circuito eléctrico del contacto directo aislado del suelo Según se muestra en la figura , las variables eléctricas que se asocian a este contacto son: - La resistencia de la persona Rch

3

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT


WWW.DHSING.CL

- La tensión de contacto Vc - La magnitud de la corriente que circula por el individuo lch La reglamentación eléctrica nacional establece para el caso de baja tensión, que la resistencia de las personas en el estudio de los contactos eléctricos debe considerarse con un valor de

3.000 ohms

La diferencia de potencial que aparecería entre las manos de la persona, definida como la tensión de contacto, será equivalente al valor del voltaje existente en el sistema de alimentación, que para nuestro caso de estudio se considera de 220 V. Con los parámetros de resistencia y voltaje ya definidos en los párrafos anteriores y utilizando la ley de Ohm, podemos determinar teóricamente la magnitud de la corriente eléctrica que circularía por la persona afectada por este tipo de contacto eléctrico:

La magnitud de la corriente alcanzada en este tipo de contacto es evidentemente dañina para la persona, pero lo que fundamentalmente hace peligroso a este tipo de contacto eléctrico, es la no existencia de alguna falla que pueda ser detectada por algún dispositivo de protección que actué en un tiempo que no permita un desenlace fatal de este accidente. Persona No Aislada del Suelo Este caso corresponde a cuando una persona establece contacto con una fase de la instalación, estando conectado a tierra.

Contacto directo conectado al suelo Si consideramos un contacto directo del utilizador con un conductor de nuestra instalación, se generará un flujo de corriente a través de él, que se cerrará por la tierra con el neutro de la alimentación, el cual por norma debe estar aterrizado.



WWW.DHSING.CL

Circuito eléctrico del contacto directo conectado al suelo En este tipo de contacto, el cuerpo del usuario se comporta también como una resistencia al paso de la corriente, con la diferencia respecto al contacto directo anterior, que al cerrar el circuito por tierra y no directamente por el neutro de la instalación, se está produciendo lo que denominamos "corriente de fuga", falla que evidentemente puede ser detectada por algún dispositivo de protección. En el caso mostrado en la Figura , los parámetros mencionados en el tipo de contacto anterior (persona aislada del suelo), se mantienen, luego:

Nuevamente la magnitud de la corriente que circularía por la persona es suficiente para causar serias lesiones, las que serán proporcionales al tiempo de permanencia en el contacto, dado por las características de operación del dispositivo de protección, por ejemplo, un dispositivo diferencial.

Contacto Indirecto El contacto indirecto se define como la situación en donde la persona o usuario de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo una superficie metálica de un equipo eléctrico que en condiciones normales se encuentra desenergizada pero en condiciones de falla se energiza. Este tipo de contacto es realmente peligroso debido a que es difícil de prevenir por parte del usuario,

5



WWW.DHSING.CL

ya que generalmente corresponde al resultado de una falla interna de los equipos eléctricos.

Contacto indirecto Si consideramos un contacto del utilizador con la carcaza del equipo fallado, se generará un flujo de corriente a través del cuerpo de la persona que se cerrará por la tierra con el neutro de la alimentación, en forma similar al contacto explicado en el punto anterior.

Circuito eléctrico del contacto indirecto Según muestra la figura anterior, si ocurre una falla franca de fase a masa, la carcaza se energizará respecto a tierra con un potencial de 220 V, el que pasaría a representar la tensión de contacto, luego considerando la resistencia de la persona igual al utilizado en los casos anteriores, tendremos que :



Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico Existen una serie de parámetros que incidirán en un caso de riesgo de electrocución. Si consideramos que el utilizador se encontrará expuesto a una cierta tensión de contacto durante un tiempo determinado, circulara por su cuerpo una cantidad de corriente que estará acotada por la resistencia corporal del individuo. Tendremos entonces que el riesgo de electrocución dependerá de : - Corriente que circula por el cuerpo y tiempo de exposición. - Tensión aplicada y resistencia del cuerpo.

Corriente que Circula por el Cuerpo y Tiempo de Exposición Dependiendo de la amplitud de la corriente eléctrica que circula por el cuerpo de una persona que está sometida a un contacto eléctrico, y del tiempo de exposición a este, los efectos sobre el individuo pueden ser imperceptibles, o bien, mortales.

norma IEC 60479

La -1 (Effects of current on human beings and livestock – Parí 1 General aspects), estableció zonas de riesgo en función de la magnitud de la corriente y el tiempo de exposición a esta. Estas zonas de riesgo son mostradas en la siguiente gráfica: GRAFICA DE ZONA DE RIESGO

Zona 1. No se aprecia habitualmente ninguna reacción, debido a que no se percibe el paso de la corriente, por lo que no existe límite de tiempo de permanencia en el contacto.

Zona 2. En esta zona comenzamos a percibir el paso de la comente como un leve cosquilleo pero, que no deja ningún efecto psicológico grave como secuela, siempre que la magnitud de la señal no exceda los 10 (mA). Se considera esta curva como el limite inferior de la corriente fisiopatológicamente peligrosa.



Zona 3.

En esta zona habitualmente no existe ningún daño orgánico. Existe probabilidad de contracciones musculares y de dificultades de respiración; también perturbaciones reversibles en la formación y propagación de impulsos al corazón, comprendida la fibrilación auricular y paros temporales del corazón, sin fibrilación ventricular, aumentando con la intensidad de la corriente y el tiempo.

Zona 4. Además de los efectos de la zona 3, existe la posibilidad de fibrilación ventricular. Podrán producirse efectos patológicos como paro cardiaco y paro respiratorio ocasionado por la tetanización o quemaduras graves. Cave señalar que a mayor corriente de circulación por el cuerpo humano, menor es el tiempo de exposición a esta corriente.

Tensión Aplicada y Resistencia del Cuerpo Diversos estudios experimentales demuestran que la impedancia del cuerpo humano es siempre de características resistiva pura, por lo que sólo se habla de resistencia corporal. El voltaje al que puede verse sometida una persona en un contacto eléctrico, afecta directamente la resistencia de la piel, la que se comporta como un aislante natural, pudiendo producirse la ruptura del dieléctrico en caso de tensiones superiores al valor nominal de soporte de ella. A una frecuencia de 50 Hz y un potencial menor a 50V, la resistencia del cuerpo humano no depende fundamentalmente de la tensión a la que puede quedar sometida, ya que en estas condiciones no se presenta la ruptura de la piel por lo que la capacidad dieléctrica no es afectada generalmente. Bajo estas condiciones la resistencia de la persona depende particularmente de : •

Espesor, estado de humedad y contenido salino de la piel. La resistencia aumenta con el espesor de la piel (callosidad), disminuye con la humedad (transpiración), y disminuye con la salinidad (alteración nerviosa).

•

Presión y área de contacto. Si aumenta la presión y el área de contacto, disminuye la resistencia de la piel. La excepción la constituye la presencia de extremos puntiagudos, que pueden perforar la piel, llevando el valor de resistencia de esta, a cero.

A una frecuencia de 50 Hz y un potencial mayor a 50V, la resistencia del cuerpo humano no obedece particularmente la ley de Ohm, si no que su valor depende fundamentalmente de la tensión que soporte, tratándose por lo tanto de un dipolo no lineal cuya resistencia es función decreciente de la tensión aplicada. Entre 85 y 150V, comienzan a tomar importancia la forma, intensidad, densidad y duración de la corriente que circula por el cuerpo, para tensiones mayores a 150 hasta 250V, el dieléctrico de la piel seca se rompe en pocos segundos y en caso de piel húmeda, se rompe en forma casi instantánea. Es importante mencionar que una vez que la corriente circula por el cuerpo, se

8



WWW.DHSING.CL

producirán internamente efectos de elevación de temperatura y cambios en el balance electrolítico, logrando que aumente la conductividad corporal. Para tensiones sobre 250V, la resistencia de la piel se hace cero y la resistencia corporal estará dada solo por la resistencia interna.

50V

La Norma NCH Elec 4/2003 en el capítulo 9, sección 9.0.6.3, indica que es el máximo nivel de potencial que un individuo puede soportar en lugares secos, mientras que en lugares húmedos, este potencial es de . Estos niveles de tensión se denominan tensiones de seguridad y son la base del dimensionamiento de los sistemas de protección contra tensiones peligrosas.

24V

1.3. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS CONTACTOS ELÉCTRICOS Las medidas de protección contra los contactos eléctricos están reguladas en nuestro País, por la norma NCH Elec. 4/2003 (específicamente por el capítulo 9), en esta, se establecen todas las medidas de seguridad pertinentes a implementar en toda instalación eléctrica interior, para poder brindar un óptimo grado de protección a los usuarios de estas. Resulta importante indicar que la primera gran medida de protección es evitar que ocurran los contactos eléctricos, que en el caso de los directos, pueden ser fácilmente evitados si los usuarios de las instalaciones eléctricas obedecen las indicaciones al respecto, por ejemplo, a no intervenir algún equipo o sistema eléctrico si está energizado. En el caso del contacto indirecto, este se puede evitar realizando una adecuada mantención preventiva a las instalaciones y a los equipos asociados a esta. Contra los Contactos Directos Un usuario de una instalación eléctrica estará protegido contra los contactos directos con partes energizadas que funcionen a más de 50V, utilizando alguna de las medidas indicadas a continuación, o bien, realizando una combinación de ellas. -

Ubicando la parte energizada fuera de la zona alcanzable por una persona, la que se considera medida desde donde ésta pueda situarse. Por arriba esta distancia límite es de 2,50 metros y lateralmente como hacia abajo es de 1,0 metro.



WWW.DHSING.CL

Zona alcanzable por una persona Colocando las partes activas en bóvedas, salas o recintos similares accesibles únicamente a personal calificado. - Separando las partes energizadas mediante rejas, tabiques o disposiciones similares de modo que ninguna persona pueda entrar en contacto accidental con ellas y que sólo personal calificado tenga acceso a la zona así delimitada. - Recubriendo las partes energizadas con aislantes apropiados, capaces de conservar sus propiedades a través del tiempo y que limiten las corrientes de fuga a valores no superiores a una milésima de Amper. En general, las medidas adoptadas para evitar la ocurrencia del denominado contacto directo son solo preventivas, y serán eficaces si el o los usuarios de las instalaciones, cumplen con el régimen de seguridad necesario para evitar este tipo de contacto. Cabe mencionar, que los usuarios de las instalaciones eléctricas no solamente son los adultos, sino que también lo niños. Ellos normalmente están expuestos a contactos eléctricos directos en los circuitos de enchufes, debido a la facilidad de los módulos comunes de permitir el ingreso de elementos por sus alvéolos hacia los contactos de potencia. Una alternativa para reducir fuertemente e riesgo para los niños, es el utilizar tomas de corriente con alvéolos protegidos, los que no eliminan la ocurrencia del contacto, pero lo dificultan considerablemente durante un tiempo que puede permitir la supervisión de un adulto y el consiguiente llamado de atención.

Toma corriente con alvéolos protegidos

10



WWW.DHSING.CL

Contra los Contactos Indirectos La Norma NCH Elec. 4/2003, indica que la primera medida de protección es evitar que estos contactos se produzcan, por medio de conservar la aislación de la instalación en sus valores adecuados, los cuales son como mínimo, 300kohm, para instalaciones hasta 220V, y para tensiones superiores, 1 kohm por cada Volt en instalaciones de hasta 100 mts. Sobre el valor indicado, la instalación debe separarse en extensiones no superiores a este, cada uno de los cuales deberá cumplir con el valor de resistencia de aislación prescrito. Asumiendo que aún en una instalación en óptimas condiciones, ante una situación de falla una parte metálica del equipo puede quedar energizada, se deben tomar medidas complementarias para protección contra tensiones de contacto peligrosas. Estas medidas se clasifican en dos grupos; los sistemas de protección clase A y los sistemas de protección clase B.

1.4. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CLASE A

Véase NCH4-2003 párrafo 9.2.6

Las medidas de protección clase A, persiguen suprimir el riesgo del contacto eléctrico indirecto, haciendo que estos no sean peligrosos, o bien impidiendo los contactos simultáneos entre las masas y elementos conductores entre los cuales puedan aparecer tensiones peligrosas.

1. EMPLEO DE TRANSFORMADORES DE AISLACIÓN Consiste en transformar un sistema eléctrico conectado a tierra de servicio, en un sistema aislado de tierra, intercalando un transformador cuya razón de transformación es generalmente 1:1 y no conectando su secundario a tierra de servicio.

Transformador de aislación

11



WWW.DHSING.CL

Transformador de aislación

El esquema eléctrico representativo del sistema mostrado en la figura es el siguiente :

Circuito eléctrico representativo

Según la figura , la corriente del circuito de falla estaría limitada por las resistencias de los conductores, del transformador de aislación, de falla del suelo y de la tierra de servicio. IF =

V RC + RTA + RF + RS + RTS

Si en el equipo eléctrico conectado al sistema se presenta una falla de aislación, este al no estar conectado a tierra, presentaría una resistencia de falla infinita. RF = infinito ohm Al existir el transformador de aislación en el sistema mostrado en la figura 10, debe considerarse que este siempre presenta una resistencia infinita al paso de la corriente de defecto. RTA = infinito ohm La resistencia de los conductores por ser muy pequeña dentro de los análisis teóricos se considera igual a cero. RC = 0 ohm La participación del suelo en la circulación de la corriente eléctrica se considera teóricamente ideal, es decir sin oposición.

12



RS = 0 ohm La resistencia de la tierra de servicio siempre es distinta a cero, pero con un valor finito. 0 < RTS < infinito ohm Según las condiciones indicadas anteriormente y considerando una tensión máxima posible de presentarse equivalente a la del sistema de alimentación en condición monofásica, la corriente de falla que se alcanzaría será: IF =

220V

= 0 amp.

0+infinito+infinito+0+ [=0] Según el resultado de la expresión anterior, en esta condición, no existiría una circulación de corriente. Si el defecto de aislación no es eliminado, y una persona entra en contacto con la carcaza del equipo, la resistencia de falla estaría dada teóricamente por la del cuerpo humano, que como se ha dicho se considera igual a 3.000 ohms. Los parámetros de resistencia de los conductores, del trasformador de aislación, del suelo y de la tierra de servicio, permanecen con los valores indicados anteriormente, por lo que la corriente que pasaría por el cuerpo de la persona sería : IF =

220V

= 0 amp.

0+infinito+3.000 +0+ [=0] Como puede observarse, la corriente que circularía por la persona sería igual a cero, por lo que el contacto eléctrico indirecto no existe, protegiendo al usuario y evidentemente manteniendo la continuidad del servicio, ya que no se necesita el accionar de al algún dispositivo de protección. El transformador de aislación es el responsable de mantener respecto a tierra, siempre una resistencia infinita, pero en el sistema bajo condiciones normales de funcionamiento, presenta un valor bastante bajo. El transformador de aislación debe ser construido de manera muy especial, sobre todo su carcaza, la que no debe ser conductora, además que al instalarlo en la red, el circuito secundario de este no debe tener ningún punto común con el circuito primario ni con ningún otro circuito. Un resultado similar al logrado con el transformador de aislación, se obtiene no conectando a tierra el neutro del transformador de alimentación, pero lamentablemente en el caso de las redes trifásicas



desequilibradas podría producirse un desplazamiento de neutro. El límite de tensión y de potencia para el uso de transformadores de aislamiento monofásicos es 10 (kVA), mientras que el caso trifásico es de 16 (kVA), según lo indicado en la norma técnica vigente. Este sistema es eficaz cuando hay un único aparato fallado; por ello se debe usar en instalaciones con muy pocos puntos de consumo. Este sistema pierde su eficacia para fallas dobles o múltiples debido a que comienza a circular corriente entre las carcazas de los equipos, con el consiguiente peligro de contacto eléctrico aislado de tierra para la persona que toque dos en falla y de incendio por calentamiento de las carcazas de los equipos. Esta debilidad se la puede superar utilizando detectores de fugas y de fallas de aislación, pero su elevado costo impide su utilización intensiva,

2. EMPLEO DE TENSIONES EXTRABAJAS 24 /42vV Consiste en alimentar las instalaciones con tensiones de un valor lo suficientemente bajo como para poder ser tocadas directamente sin que exista riesgo en el caso de un defecto de aislación. Debido a que la tensión de alimentación es pequeña, no se requiere conectar a tierra los equipos. Una gran problemática que existe con el uso de este sistema, es la obtención de la tensión reducida, la que no es problemática lograrla si no que los equipos eléctricos tradicionales en nuestro medio vienen diseñados para operar con voltajes promedios de 220 (V). Este método es aplicable en una cantidad muy restringida de casos, y en general, para potencias pequeñas, puesto que exige grandes secciones de conductores. Su desventaja principal es el costo de implementación, y la poca versatilidad de utilización en las aplicaciones actuales de la energía eléctrica en instalaciones de potencia.

3. EMPLEO DE DOBLE AISLACIÓN El peligro de los contactos indirectos radica en la puesta bajo tensión de las carcazas metálicas de los equipos eléctricos integrantes de las instalaciones interiores, producto de la circulación de corrientes eléctricas por ellas cuando se encuentran conectadas a tierra. La doble aislación consiste en recubrir las carcazas metálicas con materiales aislantes o construir carcazas no conductoras, evitando de este modo que frente a una falla del equipo la carcaza se energice poniendo en peligro al usuario. Por la tecnología disponible es solo aplicable a artefactos electrodomésticos o, a máquinas herramientas portátiles, además que su elevado costo hace inaplicable su uso intensivo.

14



4. EMPLEO DE CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Consiste en interconectar todas las partes metálicas, como tuberías metálicas de agua potable, gas, canalizaciones eléctricas, partes principales, etc. con el objeto de evitar que entre ellas aparezcan diferencias de potencial. Este método sirve solo como solución a problemas locales; necesita operar combinadamente con otros métodos de protección. Existen serias dificultades para evitar que una elevación de potencial de la unión se transfiera a puntos remotos.

1.5. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CLASE B

Véase NCH4-2003 párrafo 9.2.7

Las medidas de protección clase B, persiguen principalmente interrumpir el suministro eléctrico de la instalación, o del sector en donde se produjo el defecto, para evitar que una persona quede sometida a un potencial peligroso durante un tiempo superior al normalizado. Pueden ser utilizadas en instalaciones puestas a tierra y en instalaciones puestas al neutro. 1. En Instalaciones Puestas a Tierra El concepto de instalaciones puestas a tierra, consiste en conectar directamente a una tierra de protección, las carcazas de los equipos integrantes de la red eléctrica interior. Dentro de este esquema podemos encontrar las instalaciones con neutro sólidamente aterrizado y las con neutro flotante. 2. Con Neutro Sólidamente Aterrizado Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. Consiste en tener una red de alimentación compuesta de un transformador en conexión delta - estrella sólidamente aterrizado, y las carcazas de los equipos conectados a una puesta a tierra de protección.

15



WWW.DHSING.CL

Puesta a Tierra con neutro solidamente aterrizado El circuito eléctrico representativo tanto para el caso del cliente de alta como efe baja tensión sería el siguiente:

La corriente de falla frente a un pérdida de aislación estaría determinada por la siguiente :

La resistencia de los conductores (RC), y del suelo (RS), teóricamente se asumen igual a cero, mientras que la resistencia de la tierra de servicio (RTS), que si bien es cierto es distinta a cero, posee un valor bastante pequeño, por lo que en el análisis del defecto no se toma en consideración. Según esto, la corriente de falla estaría determinada fundamentalmente por la resistencia de la tierra de protección.



WWW.DHSING.CL

Del punto de vista normativo, para este esquema de neutro sea adecuado en la protección de las personas contra los contactos indirectos, las condiciones que debe cumplir son: (a) La corriente de falla producto de una perdida de aislación deberá tener una magnitud tal que asegure la operación del dispositivo de protección en un tiempo .

no superior a 0,5 segundos

(b) Una masa cualquiera no puede permanecer con relación a una toma de tierra, a un potencial que exceda el valor de tensión de seguridad prescrito en la NCH Elec 4/2003, capítulo 9, sección 9.0.6.3. (24 volts para lugares húmedos y 50 volts para lugares secos). (c) Todas las masas de la instalación deben estar conectadas a la misma toma de tierra, es decir, se debe operar con una conexión del tipo colectiva.*****



1.6. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE DISYUNTORES Y FUSIBLES La primera condición que impone este sistema (a), es la más difícil de cumplir cuando el corte de suministro de la instalación o equipo en falla, depende de un dispositivo de corte automático operado por corriente de falla, los que pueden ser disyuntores termomagnéticos, o bien, protectores fusibles. Actualmente las instalaciones interiores están siendo protegidas por disyuntores termomagnéticos, razón por la cual, el análisis de verificación del cumplimiento de la primera condición indicada en este punto (tiempo de despeje no superior a 0,5 seg. , se realizará en función de éstas protecciones. Si suponemos que la instalación eléctrica cuenta con una protección termomagnética de 16 amperes y disparador magnético tipo "C", la corriente necesaria para el disparo del dispositivo dentro del tiempo normalizado sería de 60 amperes.

0,

Determinación de la corriente de falla según tiempo normalizado

Según lo anterior, y considerando una tensión de seguridad de 24 (V), la ecuación representativa de este sistema tendría los siguientes parámetros:

Por lo indicado, en la ecuación anterior, para que el sistema sea eficaz en la protección de las personas frente al contacto indirecto, necesitaría que la resistencia de la puesta a tierra de protección no supere los 0,4 ohm valor que en la práctica resulta imposible de lograr a un costo adecuado. Como en la práctica se hace muy difícil cumplir con el valor máximo de la resistencia de puesta a tierra, la norma NCH Elec 4/2003 nos dice que, en este caso se deben utilizar dispositivos asociados a los de corte automático que sean los responsables de interrumpir el servicio frente a una falla de aislación.

18



1.7. CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL INTERRUPTOR DIFERENCIAL El elemento asociado a los de corte automático más difundido por su excelente confiabilidad y bajo costo, es el Dispositivo Diferencial Residual (DDR), de baja tensión. Al utilizar un protector diferencial como dispositivo de interrupción, el análisis del cumplimiento de las condiciones normativas para este esquema de neutro, se deben realizar basándose en los parámetros de operación de los DDR. Se debe considerar que el tiempo de operación de los diferenciales esta normalizado, y no puede exceder de 300 msg, además, que en forma general, estos dispositivos funcionan para tiempos inferiores a los 50 msg, tiempo varias veces menor que el establecido en la norma. En lo que respecta a su corriente de operación, llamada sensibilidad, normalmente el más utilizado es el que tiene un valor de 30 ma. Con estos datos, al volver a evaluar la resistencia máxima de la puesta a tierra de protección sería de :

Según la información anterior, vemos claramente que este sistema de protección por si solo no brinda el grado de protección adecuado, mientras que si le incluimos un protector diferencial (quien debe interrumpir suministro en caso de falla y no el termomagnético), el sistema mejora considerablemente, aunque la resistencia de la tierra de protección sea más elevada.

)Con Neutro Flotante

Véase NCH4-2003

El sistema consiste en tener el punto estrella del secundario del transformador de alimentación conectado a tierra de servicio por medio de una impedancia de un valor elevado, y las carcazas del los equipos conectados a una tierra de protección, ya sea individual o colectiva.



Las condiciones que debe cumplir este sistema son las mismas indicadas para el sistema anterior (neutro sólidamente aterrizado). En el caso de no poder cumplir la primera condición (a), deberán cumplirse las siguientes otras condiciones :

)1.

Deberá existir un dispositivo automático de señalización que muestre cuando se haya

presentado una única falla de aislación en la instalación.

)2.

En caso de fallas simultáneas que afecten la aislación de fases distintas o de una fase y neutro,

la separación de la parte fallada de la instalación debe asegurarse mediante dispositivos de corte automático que interrumpan todos los conductores de alimentación, incluso el neutro (es decir protecciones tetrapolares en caso trifásico y bipolares en el caso monofásico). Se puede comprender de la figura , que este sistema se basa en el principio de que al estar aislado el neutro de la alimentación de la tierra de protección de la carga como sucedía en el caso del uso de transformadores de aislación, al existir una falla, no habría corriente de fuga que cierre el circuito por tierra, con lo cual, realmente el defecto se evita. Una primera falla de aislación no hace operar las protecciones, manteniéndose la continuidad del servicio. Los conductores activos del sistema no presentan tensión respecto a tierra, por lo que el defecto no energiza la carcaza del equipo fallado con la consiguiente disminución de riesgos para usuarios y operarios. Lamentablemente todas las ventajas mencionadas, desaparecen

20



WWW.DHSING.CL

cuando se presenta una segunda falla de aislación, puesto que el sistema aislado se convierte en puesto a tierra al ocurrir la primera falla. Los dispositivos que permiten el funcionamiento del sistema, corrigiendo o detectando oportunamente estas anomalías, tienen un elevado costo propio y de instalación. Al realizar la protección del usuario mediante los disyuntores termomagnéticos, se debe tener en cuenta que si las masas metálicas están interconectadas, la corriente del segundo defecto se convierte en un cortocircuito. Si esta corriente es mayor a la corriente de desenclavamiento del magnético, el disyuntor operará. En caso contrario la falla persiste. Recordemos que la corriente de defecto esta relacionada con la impedancia de falla en forma inversa (ley de Ohm), por lo tanto esta corriente variará dependiendo de la longitud y sección de los conductores, es decir, la protección termomagnética funcionará solo si la longitud y sección de estos es la adecuada. Al utilizar un protector diferencial, se asegura la desconexión inmediata al segundo defecto, ya que solo de necesitará una corriente que sea igual a su sensibilidad, Verificamos una vez más que la protección diferencial nos asegura la protección adecuada de los usuarios de las instalaciones eléctricas.

En Instalaciones Puestas al Neutro Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. El sistema consiste en unir las masas de la instalación al conductor neutro, de forma tal que las fallas francas de aislación se transformen en un cortocircuito fase - neutro, provocando la operación de los aparatos de protección. Para clientes con empalme de baja tensión, el conductor de protección se conectará al neutro en el punto más próximo al empalme, debiendo además, asociarse el sistema de neutralización a otro sistema de protección contra contactos indirectos que garantice que no existirán tensiones peligrosas en un eventual corte de neutro de la red de distribución. Para clientes con empalme de alta tensión, el conductor de protección se conectará directamente al borne neutro del transformador o, a la puesta a tierra de servicio del mismo. En este caso la resistencia de la puesta a tierra de servicio podrá ser como

máximo de 20 ohm

21



WWW.DHSING.CL

Las condiciones generales que se deben cumplir en el sistema puesta al neutro, o también llamado neutralización, según nuestra reglamentación nacional, son las siguientes:

) (a) La tierra de servicio se deberá diseñar de tal modo que, en caso de falla a masa, la tensión de

cualquier conductor activo respecto a tierra no sobrepase los 250V.

) (b) El conductor neutro se pondrá a tierra en la proximidad del transformador de alimentación, en

200 mts

distintos puntos de la red a distancias no superiores a . y en los extremos de líneas. No se podrá usar la puesta a tierra de protección de AT del transformador como puesta a tierra de servicio; deberá existir una separación mínima de 20 mts. entre ambas.

) (c) La resistencia total entre todas las puestas a tierra indicadas en el punto (b), no deberá

exceder de 2 ohms )

(d) La resistencia de las puestas a tierra de servicio situadas en las proximidades del

transformador, así como las de los últimos 200 mts. de los extremos de una línea, no deberá exceder .

los 5 ohms

) (e) Los dispositivos de protección utilizados en el sistema deberán ser disyuntores o fusibles.



) (f) La corriente de falla en el punto asegurará una operación de las protecciones en un tiempo no superior a 0,5 segundos.

) (g) Todas las carcazas de los equipos deberán estar unidas a un conductor de protección el que estará unido al neutro de la instalación.

) (h) El conductor de protección será aislado y de iguales características que el neutro, incluida su sección.

Si analizamos las características del sistema de neutralización podremos darnos cuenta que para poder convertir un defecto de aislación en un cortocircuito se debe perder el 100% de la aislación del equipo, lo cual no es posible de asegurar en todos los casos. Esto es debido fundamentalmente por la acción de la resistencia propia que tiene el material con el cual esta construida la carcaza de los equipos y la resistencia de los conductores, lo que significa que existe la posibilidad de que la corriente de falla no logre hacer que el dispositivo de protección opere en el tiempo normalizado, o simplemente, no interrumpa servicio.

La reglamentación nacional, recomienda utilizar el sistema de neutralización en conjunto con

interruptores diferenciales de alta sensibilidad, efectuando la unión entre el neutro y el conductor de protección antes del diferencial,

Al incluir un protector diferencial en el sistema de neutralización, tanto para clientes de baja como de alta tensión, basta una pequeña corriente de defecto (que este dentro del rango de desenclavamiento), para que el dispositivo desconecte el equipo fallado evitando definitivamente el contacto indirecto. En conclusión, la protección de los usuarios de las instalaciones eléctricas se debe realizar utilizando un conjunto de elementos y dispositivos que al actuar en combinación, pueden lograr proteger efectivamente a las personas frente a los contactos eléctricos. Estos elementos son las puestas a tierra y los dispositivos diferenciales residuales de baja tensión.

23

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT


WWW.DHSING.CL

1.8. CALCULO de la CORRIENTE de CORTOCIRCUITO Poder determinar la amplitud con la que una falla de cortocircuito se presentará en una instalación, es de suma importancia para la selección de los elementos pertenecientes a una red de suministro. Su valor depende de varias consideraciones, las que revisaremos a continuación. Tal como se dijo anteriormente, al ocurrir un cortocircuito, la impedancia del sistema queda determinada solo por los elementos que conforman la red de suministro. Esta impedancia tiene la forma R + JX por lo que el circuito equivalente para el análisis de un cortocircuito sería como el mostrado en :

Circuito eléctrico equivalente del cortocircuito

Si analizamos el circuito de la figura , suponiendo que la tensión de la fuente es sinusoidal pura y su amplitud se mantiene en el tiempo, las expresiones que lo definirían serian:

Operando mediante la TRANSFORMADA de la LAPLACE las expresiones anteriores, tendríamos que la corriente "I" quedaría definida por : La expresión anterior se compone de dos grandes términos, uno permanente y el otro transitorio, estando este último representado por el cuerpo que posee la función exponencial.



WWW.DHSING.CL

Si graficamos por partes la expresión de "I" mostrada anteriormente, obtendremos la forma de onda de la corriente de falla cuando en una instalación se produce un cortocircuito.

Corrientes componentes del cortocircuito La señal permanente se conoce también como la componente alterna de la corriente de falla, y la transitoria como la componente continua. La unión de estas dos señales es la corriente resultante de cortocircuito, la que durante los primeros ciclos posee un comportamiento asimétrico.

25



WWW.DHSING.CL

El comportamiento asimétrico de la comente de falla esta determinado por la componente continua de la señal, la que desaparece a lo largo del tiempo. La duración de esta, se encuentra fuertemente influenciada por la expresión exponencial, pero particularmente por la

relación R/L.

En la práctica, determinar la amplitud de la componente continua resulta ser bastante laborioso, sobre todo en instalaciones con gran cantidad de ramificaciones. Como el transitorio está dominado preferentemente por la relación R/L, y que este provoca que la corriente de falla se eleve cierta cantidad de veces respecto a su valor permanente, la expresión anterior podría rescribirse quedando la componente continua representada por el factor de asimetría "fa":

factor de asimetría puede obtenerse mediante el uso de la siguiente gráfica característica :

fa

Gráfica para la obtención del factor de asimetría



Otras consideraciones que podemos hacer son: asumir que el ángulo de inicio de falla y el de desfase son iguales λ = ω, que la tensión presenta siempre su valor máximo y que la frecuencia permanece constante, según esto, la ecuación de la corriente "I" puede escribirse como :

Como en la práctica solo conocemos el valor efectivo de las señales, debemos cambiar Emax por su equivalente rms.

Es claro pensar que un cortocircuito puede presentarse en cualquier parte de la instalación, razón por la cual, debemos trasformar la expresión anterior en su equivalente para "n" términos y denotar a "I"

como la corriente de cortocircuito:



WWW.DHSING.CL

1.9. COMPONENTES DEL CORTOCIRCUITO Icc Al presentarse un cortocircuito en una instalación interior, la falla queda gobernada en general por: el sistema eléctrico (representado por un generador equivalente), unidades generadoras, motores asociados a la red y las líneas participantes.

Como es sabido, en nuestro medio existen dos grandes tipos de instalaciones eléctricas interiores, las de alta tensión (conectadas a redes de más de 400 volts), y las de baja tensión (conectadas a redes de menos de 400 volts).

Esquema equivalente del elemento fuente Una aclaración importante de hacer, es que como sistema o generador equivalente, se considera todo lo que exista aguas arriba del transformador de alimentación y que en el caso del cliente de baja, el arranque se conecta directamente al trasformador de distribución. Según esto, si analizamos los esquemas de la figura , desde el generador equivalente hasta los trasformadores, podemos darnos cuenta que tanto el cliente de alta como el de baja tensión, son similares en términos de las impedancias que intervienen, situación que representamos en la siguiente figura:

28



1.10. PERDIDAS E IMPEDANCIA PORCENTUAL EN SUBESTACIONES Tanto la pérdida en el cobre como la impedancia porcentual del transformador son datos que deben ser aportados por el fabricante de la máquina. En ausencia de esta información, en la siguiente tabla se entregan con un margen de error aceptable, valores de "W" y "Z%" para transformadores trifásicos clase 15kv y 25kv .

Según lo indicado en la figuras anteriores, el otro elemento que aporta al cortocircuito es la existencia de unidades generadoras, las que evidentemente poseen una impedancia característica. También debe considerarse que el generador se conecta a la instalación por medio de un conductor llamado normalmente alimentador de emergencia, el que contribuye a limitar la corriente de cortocircuito.



WWW.DHSING.CL

1.11. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO Y MONOFASICO

)1. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO, considera la unión directa y simultánea de las tres fases de alimentación del sistema. Solo limitan la amplitud de la corriente de cortocircuito la impedancia equivalente de la fuente y de los conductores, independiente del sistema o esquema de neutro que posea la I.E.

.

Cortocircuito trifásico La expresión que define la amplitud máxima de la corriente de cortocircuito trifásica es la siguiente:

30



WWW.DHSING.CL

)2. CORTOCIRCUITO BIFÁSICO, considera la unión directa y simultánea de las dos fases de alimentación del sistema. Su comportamiento es similar a la falla trifásica Cortocircuito bifásico La expresión que define la amplitud máxima de la comente de cortocircuito bifásica es la siguiente:

cortocircuito bifásico

31



la expresión que define la amplitud máxima de la corriente de cortocircuito bifásica es la siguiente :

Otra forma de calcular la corriente de cortocircuito bifásica es relacionándola con la trifásica, debido a que en general, dependen de los mismos factores.

Según lo indicado en las expresiones anteriores, la corriente de cortocircuito bifásica es equivalente raíz de 3/2 veces la amplitud de la falla trifásica, es decir, representa aproximadamente el

86,6%.



WWW.DHSING.CL

)3. CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A NEUTRO, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación con el neutro del sistema.

Cortocircuito monofásico a neutro

La expresión utilizada para el cálculo de la amplitud de la falla monofásica a neutro es igual en estructura a la utilizada para el caso del cortocircuito trifásico, difiriendo solamente en los elementos a considerar.



WWW.DHSING.CL

)4. CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A CONDUCTOR DE PROTECCIÓN, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación, con el conductor de protección o cable de tierra de la instalación.

Cortocircuito monofásico a conductor de protección

34



Este tipo de cortocircuito, descartando la existencia de la carcaza de algún equipo, es prácticamente igual al comportamiento de un defecto o falla de aislación. El régimen de neutro en este tipo de falla adquiere una gran importancia, debido a que dependiendo de su forma, el cortocircuito puede o no ser visto y eliminado por algún dispositivo de protección por sobrecorriente. En Chile, normalmente el esquema de neutro más utilizado es el TNS, es decir, la neutralización, en este caso, y si consideramos que la sección del conductor de protección es igual que la del conductor neutro de la red, el cortocircuito monofásico a conductor de protección tendría la misma amplitud que el cortocircuito monofásico a neutro. La expresión general que define el cortocircuito monofásico a conductor de protección, es igual a la utilizada para el caso de la falla monofásica a neutro, teniendo como diferencia las impedancias a considerar.

(*) En esquema TT considera la resistencia de la fuente, línea de fase, conductor de protección, tierra de protección y tierra de servicio. En esquema IT considera la resistencia de la fuente, línea de fase, conductor de protección, tierra de protección, tierra de servicio y limitadora. En esquema TNS considera la resistencia de la fuente, línea de fase y conductor de protección. (**)En esquema TT considera la reactancia de la fuente, línea de fase y conductor de protección. En esquema IT considera la reactancia de la fuente, línea de fase, conductor de protección y limitadora. En esquema TNS considera la reactancia de la fuente, línea de fase y conductor de protección.****


Parte

2

Estudio Geoeléctrico del terreno



2. LA PUESTA A TIERRA Las puestas a tierra son una importante componente de todo sistema eléctrico de alimentación, debido a su gran influencia en la estabilidad de la red, como en la seguridad de ios usuarios de esta. Su correcto estudio y dimensionamiento, constituye una preocupación dentro del desarrollo de cualquier proyecto eléctrico, por lo que se hace necesario contar con profesionales dedicados a estudiar este tema con la profundidad suficiente y con el grado de ingeniería conveniente. Resulta claro pensar, que si no se realiza en forma correcta el proyecto de un sistema de puesta a tierra, se está poniendo en peligro no solo la instalación eléctrica, si no que también, al usuario de esta. Respecto a esto último, la puesta a tierra debe participar en la desconexión del equipo fallado, antes de que el usuario llegue a entrar en contacto con este, como es el caso de los contactos indirectos. Un sistema de puesta a tierra debe presentar el menor valor de resistencia posible, frente a la circulación de una comente de defecto. Esta resistencia es ofrecida, en esencia, por las características que tiene el terreno en la proximidad del lugar en donde se instala la puesta a tierra. Debido a esto, dentro del diseño de una puesta a tierra es de suma importancia poder conocer la forma en como el suelo participa en el fenómeno de conducción de la corriente eléctrica.

2.2. LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO En general, el grado de oposición que presenta un terreno a la circulación de una corriente eléctrica, está dado por su resistividad, la cual podemos definir como la resistencia que presenta al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro de arista. Se representa con el símbolo "p" (rho), y se mide en (ohm x mt).

Conocer la resistividad del terreno en donde se instalará el dispositivo de tierra en diseño, es la principal variable que define si la configuración elegida resulta ser la más adecuada según las necesidades de protección del sistema de tierra. La resistividad de los suelo es en extremo variable, y depende de múltiples factores, por lo tanto es necesario conocer para cada situación en particular el valor lo más real posible de la resistividad del terreno que corresponde, de modo de no diseñar en forma errada el sistema de tierra, ya que esto podría poner en riesgo a las personas y equipos de la instalación eléctrica en proyecto, o bien, aumentar innecesariamente el costo del dispositivo de tierra.

37



WWW.DHSING.CL

2.3. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS La mayoría de los minerales que conforman los suelo son en general malos conductores, por lo que se dice que los suelos puros son de características aislantes.

)LA NATURALEZA DEL TERRENO El tipo o naturaleza del terreno determina en primer lugar su resistividad, lamentablemente no existe una clasificación perfectamente definida de terrenos, por lo que hay que limitarse a señalarlos en forma general. En una primera clasificación muy simple, puede decirse que gran parte de éstos están formados por distintas mezclas de arenas, arcillas y rocas. Dependiendo de la cantidad de agua contenida por los diferentes minerales y de sus características particulares, la resistividad de los suelos puede variar en cifras tan amplias como las dadas en la siguiente tabla :

tabla solo informativa y conceptual no aplicable a estudio de proyectos reales

)LA HUMEDAD DEL TERRENO La humedad del terreno también determina fuertemente su resistividad . El agua que contiene el terreno, su estado higrometrico , influye en forma apreciable sobre la resistividad. Siempre que se añada agua al terreno disminuye su resistividad respecto a la condición en seco.

saturado" cuando todos sus intersticios están llenos de agua. Una vez

Se dice que un terreno está "



pasada la causa de la saturación, el agua contenida en los espacios entre los diferentes agregados, debido a la gravedad, se dirigirá hacia abajo quedando estos ínter espacios ocupados por aire en el interior, al ser superior la fuerza de la capilaridad que la gravedad. El agua contenida en ellos no se mueve y, en estas circunstancias, se dice que el terreno está "saturado de humedad". Por efecto de la evaporación natural de la superficie del terreno, se produce un empobrecimiento del agua contenida en los agregados, fenómeno que se propaga lentamente desde la superficie hacia los estratos más profundos. Este fenómeno tiene más importancia cuanto más seco sea el clima del lugar y cuanto más superficial es la ubicación de la puesta a tierra. Para una cierta región geográfica, el contenido de humedad del suelo, depende de sus características climáticas, por lo que en el proyecto de las puestas a tierra se debe considerar la época del año que ofrezca la peor condición. En épocas de lluvias el nivel freático se aproxima a la superficie del terreno, presentando éste una resistividad menor que en el periodo de sequía, en el que dicho nivel, se aleja en profundidad de la superficie. A lo largo del año se presentan variaciones estacionales que son más acusadas cuanto más próxima a la superficie se encuentra la puesta a tierra. Para poder mantener el valor de la resistividad lo más uniforme posible a lo largo del año, es conveniente instalar profundamente las puestas a tierra y, proteger dentro de lo posible, el suelo de las inclemencias del clima. A medida que se instalen las puestas a tierra a profundidades mayores, o bien, debajo de las cimentaciones del edificio, se tendrán más garantías de mantener estable el valor de la resistividad.

)LA TEMPERATURA DEL SUELO La temperatura del terreno también es un factor importante a considerar dentro del estudio de los factores que determinan la resistividad de los suelos. La tierra seca es un aislador excelente; al aire y al sol, las capas de arena seca de la superficie se acercan mucho a la condición de buen aislador. En general, el grosor de tales capas secas no es muy grande, alcanzan solo entre 10 y 20 centímetros. La escarcha tiene una penetración más profunda, entre 50 y 100 centímetros o más según el estrato, por lo cual, las tomas a tierra deben ser a mayor profundidad dado que el grado de humedad, tal como sabemos, es un factor esencial en la conductividad del suelo. Cuando la temperatura desciende por debajo de los 0°C, se produce un aumento rápido de la resistividad, esto es debido a que el hielo es un aislante.

39



Para valores superiores al punto de congelamiento del agua e inferiores a 100°C, la resistividad de los suelos disminuye al aumentar la temperatura, por la mayor movilidad de los iones disueltos en el agua.

La siguiente tabla muestra la variación de la resistividad de un suelo compuesto de una mezcla de arcilla y arena con un 15% de contenido de agua.

)CONCENTRACIONES DE SALES La concentración de sales disueltas en el terreno, es un factor determinante en la resistividad del mismo. Al existir una mayor concentración de sal en el suelo, este mejora su conductividad, en forma general entonces, se podría establecer que a mayor contenido de sal en el terreno mejor conductor éste es. El agua disocia las sales en iones y cationes que se encargan de transportar los electrones por el terreno. Para comprender este fenómeno sólo tenemos que recordar el comportamiento eléctrico del agua. El agua destilada es aislante y aunque introduzcamos unos electrodos en el interior de un recipiente conectados a una batería, no circulará energía eléctrica a través de ella. Si al agua le añadimos compuestos salinos, por ejemplo, cloruro de sodio o sal común, comenzará a circular electricidad y a medida que añadamos más sal, circulara más electricidad; esto es debido a que los electrones se desplazan por el agua gracias a los iones disociados. En los lugares de lluvias estacionales hay que tener muy presente estos fenómenos, debido a que en la época de lluvias el terreno presenta una resistividad muy baja (la lluvia elimina la sal del terreno), mientras que en la época seca, la resistividad es muy alta.

)LA COMPACTACION DEL MATERIAL El grado de compactación que tenga el terreno en donde se instalará el sistema de tierras, influye apreciablemente en la resistencia de la configuración de electrodos a utilizar.

40



Si el terreno presenta poca compactación y no se encuentra saturado de agua, los poros ínter granulares están en mayor medida llenos de aire, y el terreno tiene una resistividad relativa mayor. Si por el contrario, el mismo material es más compacto, los espacios ínter granulares son menores y eventualmente están llenos de agua disminuyendo su resistividad. Según esto, podemos concluir que a una mayor compactación del suelo, disminuye la distancia entre las partículas que lo conforman, logrando así, una mejor conducción a través del líquido contenido en éste.

)FACTORES DE NATURALEZA ELECTRICA Factores de naturaleza eléctrica pueden modificar la resistividad de un terreno. Los más significativos son el gradiente de potencial y la magnitud de la corriente de defecto a tierra. El primero afecta al terreno cuando el gradiente de tensión alcanza un valor crítico, de algunos kilo volts por centímetro, lo que puede originar la formación de pequeñas áreas eléctricas en el suelo que hacen que la puesta a tierra se comporte como si fuera de mayor tamaño. El segundo, la magnitud de la corriente de defecto a tierra, puede también modificar el comportamiento de la puesta a tierra si su valor es muy elevado, ya sea por provocar gradientes excesivos, o bien, por dar lugar a calentamientos alrededor de los conductores enterrados que provoquen la evaporación del agua del suelo.

)OTROS FENÓMENOS INFLUYENTES Otro fenómeno que hay que tener en cuenta es el deterioro más o menos significativo de las puestas a tierra, es el caso de cortocircuito franco, o la caída de un rayo que se canalice a través de la misma toma a tierra. En este caso, se deberá inspeccionar el estado de la puesta a tierra, para verificar si ha perdido sus características conductivas. Por todo lo expuesto anteriormente, la resistividad de los suelos es altamente variable, por lo que poseer un valor que se ajuste a todas las condiciones posibles de encontrar en la practica es imposible. Según esto cada vez que deba diseñarse un sistema de puesta a tierra, es de suma importancia conocer las características conductivas del suelo en donde esta será construida.

2.4. ESTUDIO DE TERRENOS. FUNDAMENTOS FISICOS Y SCHLUMBERGER Tal como hemos visto, la resistividad de los suelos depende de múltiples factores, razón por la cual, ésta debe determinarse para proponer la configuración del sistema de tierra más favorable para el emplazamiento elegido.

41



Uno de los métodos mayormente utilizado en el estudio de terrenos, "es el de los cuatro electrodos", el cual consiste en inyectar una corriente alternada al terreno mediante un par de electrodos, y medir la diferencia de potencial que se produce en otros dos.

Esquema general para la medición del método de 4 electrodos Al inyectar una corriente eléctrica a un terreno por medio de un electrodo, se formará un campo eléctrico semiesférico en el suelo.

Campo eléctrico semiesférico producido por electrodo en el terreno El potencial del campo eléctrico en un punto cualquiera del terreno V(x) dado por la corriente I(w) inyectada en el suelo por el electrodo, se obtiene de la expresión :

42



WWW.DHSING.CL

Si ubicamos un par de electrodos dentro del campo eléctrico mostrado en la figura anterior separados a una distancia "x" entre ellos y respecto al de inyección, podremos determinar la diferencia de potencial que se produciría entre ellos.

Diferencia de potencial entre 2 electrodos Como sabemos, el potencial de un campo eléctrico en un suelo esta dada por la expresión :

La diferencia de potencial AV entre los electrodos mostrados en la figura , estaría determinada por:

43



Aplicando las consideraciones anteriores en el esquema del método de los cuatro electrodos mostrado en la figura , tendremos que :

Determinación de la ecuación general del método de los 4 electrodos Igualando las variables de la figura , y superponiendo efectos de ambos electrodos de corriente, se obtiene que la diferencia de potencial resultante entre V(G) y V(D) está dada por:

Si consideramos que I(B) posee la misma amplitud de I(A) pero con sentido de circulación opuesto, y que la diferencia de potencial V(G) - V(D) es registrada por el instrumento V, detendríamos que:



Finalmente despejando, se obtiene la ecuación fundamental para la obtención de la resistividad mediante el método de los 4 electrodos :

Si la medida de terreno se efectúa en un medio homogéneo, entonces el valor de resistividad obtenido mediante la expresión anterior, corresponderá al valor único de resistividad presente en el suelo. Si el medio no es homogéneo, el valor de la resistividad tendrá un valor ficticio, que no corresponderá en general, a ninguna de las resistividades presentes en el suelo, sino a una cierta combinación de ellas. A este valor ficticio de resistividad se le llama resistividad aparente. La forma en como se desplazan los electrodos en el terreno para la obtención de las muestras de resistividad aparente, determina la configuración implementada, siendo la más difundida la de

45

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL


CONFIGURACION SCHLUMBERGER En la configuración de Schlumberger, los dos electrodos de potencial se disponen simétricamente con respecto al centro de medición elegido, a una distancia de separación de 1 metro. Los electrodos de corriente se ubican también simétricamente con respecto al centro de medición y a una distancia de él, variable. Durante la serie de medidas, los electrodos de potencial permanecen fijos, trasladándose solo los electrodos de corriente.

Analizando la figura anterior podemos determinar la existencia de las siguientes igualdades que :

Utilizando las igualdades anteriores en la expresión general de la resistividad aparente, encontraremos la ecuación particular para el caso de la configuración de Schlumberger :

Malla 1 3

Recommend Documents