Malla a tierra (Introducción) 1. INTROD TRODU UCCIÓN Dos objetivos objetivos principales principales deben lograrse en el diseño diseño de de las mallas de tierra de las subestaciones bajo condiciones normales y de fallas: a) Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas en la tierra sin tierra sin exceder los límites de operación de los equipos b) Debe asegurar que una persona persona en en la vecindad de este sistema sistema no no esté expuesto al peligro de c!oque eléctrico "n #uba #uba durante durante muc!os años !a sido utili$ada la metodología metodología de de diseño de la antigua %&''( que se !a adaptado a nuestras condiciones Do s de las normas que estn establecidas en nuestro país y que tienen relación con el diseño y operación de las mallas de tierra son las siguientes: * +orma +orma &amal: +&,+&,- **./( **./( *00* 'ubest 'ubestaciones aciones "léctr "léctricas icas ,nstala ,nstalaciones ciones de de puesta puesta a tierra 1étodo 1étodo de de clculo clculo 2 +orma +orma &amal: +&,- 345( 345( *0/6 7íneas 7íneas aéreas aéreas y subestac subestaciones iones eléctr eléctricas icas 'istemas de aterramiento 1étodos 1étodos de de medición medición 8l reali$ar una revisión de estas normas normas detectamos detectamos las siguientes limitantes: a +o se esta establ blec ece e nin ningu guna na metodología metodología para para el diseño de puestas a tierra en suelos suelos con con una marcada no uniformidad o suelos suelos conformados conformados por ms de una capa 9multicapas) b. +o se da una explicación detallada de cómo reali$ar las mediciones de resistencia y resistividad seguridad al al reali$ar las mediciones c. +o se especifican normas de seguridad d. +o !ace referencia al método enner como el ideal para los electricistas para reali$ar las mediciones de resistividad e. +o se definen los tipos de instrumentos a utili$ar 9telurómetros) para reali$ar estas mediciones( ni los requisitos 9frecuencia( potencia potencia(( función voltímetro que permita detectar corrientes parasitas del terreno( rangos de medición medición)) que deben poseer los mismos para reali$ar una adecuada medición de los parmetros resistividad y resistencia resistencia f "ntre los métodos métodos de de medición de resistencia que aparecen en esta norma( no aparecen los dos métodos ms utili$ados internacionalmente o
1étodo de la curva de caída de potencial
o
1étodo de la regla del ;2<
a 'olamente 'olamente se estable establece ce como parme parmetro tro rector rector después después de constru construida ida la malla el valor valor de de la resistencia de puesta a tierra obtenido en la medición( no se tiene en cuenta otros parmetros importantes como son la medición de las tensiones de paso y contacto y la medición de equipotencialidad b +o !ace mención mención del del uso de suelos suelos artificial artificiales es para el mejoram mejoramiento iento de la resiste resistencia ncia de puesta a tierra en los 'P= o la utili$ación de concretos especiales c +o se especific especifican an que requerimi requerimientos entos deben deben cumplir cumplir los conduct conductores ores y bajantes bajantes de tierra tierra al ser construida la malla
d +o se establece establece la separac separación ión que debe debe existir existir entre entre los electrodos electrodos cuando cuando se utili$an utili$an configuraciones de puestas a tierras de ms de un electrodo( para evitar la aparición de potenciales peligrosos e. +o se considera el comportamiento de las mallas de tierra en baja y alta frecuencia f. +o se propone la utili$ación de puntos de conexión de tierra o barrajes equipotenciales( lo cual facilita el mantenimiento y medición de la malla g. 7as ecuaciones ecuaciones que que propone para el clculo clculo de de la corriente que fluye a tierra( a través del circuito de tierra durante la falla a tierra( requiere del clculo de muc!os parmetros 9conductancias) selección del del conductor de la malla es muy engorroso h. "l método propuesto para la selección i. 7os valores de tensión de paso y contacto establecidos como tolerables en dependencia del tiempo de duración de la falla estn desactuali$ados j 7as expresiones propuestas para el clculo de las tensiones de paso y contacto recaen en una serie de constantes empíricas > 7a expresión expresión propuest propuesta a para el clculo clculo de la resiste resistencia ncia de tierra tierra de la malla malla es bastant bastante e complicada "n la mayoría de nuestras empresas eléctricas se !an reali$ado diseños de mallas de tierra( violando varios aspectos importantes: * +o se tien tiene e en en cue cuent nta a el el anlisis anlisis geológico geológico del terreno como un aspecto importante para decidir la ubicación de la subestación y por consiguiente su malla de tierra 2 'e !an reali$ad reali$ado o diseños diseños de mallas mallas de tierr tierra a sin !aber !aber medido medido la resistiv resistividad idad del terreno valor de de su 3. 'olamente establecen como parmetro rector de una malla de tierra el valor resistencia a tierra( no se tiene en cuenta las tensiones de paso y contacto que pueden aparecer en la malla cuando circula una corriente de falla a tierra( por lo que no se reali$an mediciones de d e estos parmetros . "n ocasiones ocasiones se se reali$an reali$an diseños diseños ineficient ineficientes es con espaciam espaciamientos ientos entre entre conductores no adecuados( sin tener en cuenta los peligrosos potenciales de paso y contacto que puede ocasionar esto 3 'e reali$an reali$an diseños diseños de mallas mallas sin sin tener en cuenta cuenta la corrien corriente te de cortoc cortocircuit ircuito o a tierra que se presenta en la subestación ; "n ocasiones son colocados electrodos verticales tipo varilla a una separación menor que la longitud del electrodo( esto puede traer consigo la aparición de tensiones peligrosas en presencia de corrientes de falla * DESARROLLO Para dar solución a todos estos problemas problemas detectados detectados en estas normativas( el autor reali$a una revisión de un grupo grupo de de bibliografías internacionales actuales y confecciona una guía para el diseño de puestas a tierra en subestaciones de potencia: * Para el dimensio dimensionado nado de la malla malla de tierra tierra de la subestaci subestación ón se tendrn tendrn en cuenta cuenta las siguientes prescripciones: •
•
"l dimensionado de la instalación de tierra es función de la intensidad que( en caso de fallo( circula a través de la parte afectada de la instalación de tierra y del tiempo tiempo de de duración del defecto "l dimensionado de las instalaciones se !ar de forma que no se produ$can calentamientos que puedan deteriorar sus caracter ísticas ísticas o aflojar elementos desmontables
• •
7os electrodos y dems elementos metlicos llevarn las protecciones precisas para evitar corrosiones peligrosas durante la vida de la instalación 'e tendrn en cuenta las variaciones posibles de las caracter ísticas del suelo en épocas secas y después de !aber sufrido corrientes de fallo elevadas * 8l proyectar proyectar una una instalación instalación de puesta puesta a tierra tierra para para una subesta subestación( ción( se se seguir seguir el siguiente procedimiento procedimiento:: a ,nvest ,nvestiga igació ción n de las cara caract cterí erísti sticas cas del del suelo suelo b.
c d. e f g h.
i
Determinación de las corrientes mximas de puesta a tierra 9* φ a tierra) y el tiempo mximo correspondiente de eliminación del defecto Diseño Diseño prelim prelimina inarr de la insta instalac lación ión de tier tierra ra #lculo de la resistencia del sistema sistema de de puesta a tierra #lculo #lculo de las las tensiones tensiones de paso paso en el el exterior exterior de de la instalac instalación ión #lculo #lculo de las tension tensiones es de paso y contact contacto o en el interior interior de la instalación instalación #omprobar #omprobar que que las tension tensiones es de paso paso y contacto contacto calcula calculadas das son inferi inferiores ores a las las tensiones de paso y contacto admisibles ,nvestigación de las tensiones transferibles al exterior por tuberías( raíles( vallas( conductores de neutro( blindaje de cables( circuitos de señali$ación y de los puntos especialmente peligrosos( y estudio de formas de eliminación o reducción #orrec #orrecció ción n y ajuste ajuste del del diseño diseño inicial inicial estab establec lecien iendo do el definit definitivo ivo
Después de construida la instalación de tierra( se !arn las comprobaciones y verificaciones precisas in situ( y se efectuarn los cambios necesarios que permitan alcan$ar valores valores de de tensión aplicada inferiores o iguales a los mximos admitidos 6) 1edición de la resistividad del terreno: 7a medición de la resistividad del terreno es la ra$ón ms importante para los electricistas al diseñar sistemas diseñar sistemas de de puesta a tierra 7a resistividad es un factor determinante en el valor de resistencia a tierra que pueda tener un e lectrodo enterrado( puede determinar a que profundidad debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia bajo 7a resistividad puede variar ampliamente en terrenos que tengan las mismas características( su valor cambia con las estaciones 7a misma es determinada grandemente por el contenido de el ectrolitos( el cual consiste de !umedad( minerales minerales y y sales disueltas %n suelo seco tiene un alto valor de resistividad si no contiene sales solubles 7a resistividad es también influenciada por la temperatura temperatura "l método ms utili$ado por los electricistas para reali$ar las mediciones es el de enner: Para la medición se disponen . electrodos en línea recta y equidistantes una distancia ?a?( simétricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo( como se muestra posteriormente( el equipo de medida es un telurómetro de cuatro terminales( los electrodos externos son los de inyección de la corriente y los centrales los encargados e ncargados de medir la caída de potencial 9en función de l a resistencia) "l valor obtenido con la medición es sustituido en la expresión 9*)( obteniéndose un valor promedio de resistividad aparente a una profundidad equivalente a la distancia ?a? entre los electrodos:
Donde: : Distancia entre electrodos en metros b : Profundidad del electrodo en metros & : @alor de resistencia obtenido en la medición con el telurómetro 'i a A 25b la expresión anterior se puede aproximar a:
9con
en m )
9con en pies) "n relación a este método( deben tenerse presente los siguientes aspectos: 7a profundidad de sondeo es la comprendida entre la superficie del terreno y la profundidad a la cual la corriente se !a reducido a la mitad de su valor en la superficie( siendo esta profundidad de explor exploraci ación ón aprox aproxima imadam dament ente e de 543 543 ? ? "lección de la profundidad de investigación investigación:: #uanta mayor extensión vaya a ocupar el electrodo de tierra( mayor ser la profundidad de exploración del suelo de cuyas características depende el 'P= Por otro lado( los potenciales en la superficie dependen principalmente de la resistividad de la capa superficial de terreno que se escoja( mientras que la resistencia de puesta a tierra no depende de ella
i!ura 1. "squema para la medición de resistividad del terreno por el método de enner( con un telurómetro clsico de cuatro terminales #riterios prcticos a tener en cuenta al medir la resistividad del terreno: a 7a profund profundidad idad de los electro electrodos dos no debe sobrep sobrepasar asar 65 65 cm b "s convenient conveniente e que se realicen realicen medicione medicioness en diferentes diferentes direccio direcciones nes para un mismo mismo sondeo( por ejemplo de +orte a 'ur y de "ste a Beste( debido a las características de anisotropía de los suelos c. 8l elegir la profundidad de exploración no no se recomiendan profundidades mayores a los / metros puesto que es muy difícil poder llegar llegar con las tomas de tierra !asta esos niveles( esto implica separaciones interelectródicas !asta ** metros d +o es convenie conveniente nte que las medicione medicioness se realicen realicen donde donde existan existan tomas tomas de de tierra tierra o tuberías( puesto que las mismas provocan que la corriente que se inyecta en el terreno tome otra trayectoria no deseada perturbando así el resultado e 'i se quiere quiere conocer conocer la resistivid resistividad ad existente existente en una una puesta puesta a tierra( tierra( es obligator obligatorio io reali$ar reali$ar la medición en una $ona cercana a la misma( con características similares y con la misma conformación geológica( a una separación igual o mayor a tres veces la separación de lo s electrodos f 8l reali$ar reali$ar las medicion mediciones es en las las diferent diferentes es direccion direcciones es 9+orteC' 9+orteC'ur)9 ur)9"steC "steCBest Beste)( e)( los valores de resistencia obtenidos para cada separación entre electrodos pueden ser promediados( no pueden ser promediados valores obtenidos con diferentes #on estos valores obtenidos se tra$a la curva de resistividad( por la cual se selecciona( a que profundidad deben ser enterrados los electrodos
. #uando por los valores de valores de la resistividad del terreno( de la corriente de puesta a tierra o del tiempo del eliminación de la falla( no sea posible técnicamente( o resulte económicamente no factible mantener los valores de las tensiones d e paso y contacto dentro de los límites límites admisibles( admisibles( deber recurrirse al empleo empleo de de medidas adicionales de seguridad a fin de reducir los riesgos riesgos a a las personas y los bienes bienes =ales medidas podrn ser entre otras: a acer acer inacce inaccesib sibles les las las $onas $onas pelig peligros rosas as b. Disponer de suelos o pavimentos de elevada resistividad que aíslen suficientemente de tierra las $onas de servicio servicio peligrosas peligrosas c 8islar todas todas las empuña empuñaduras duras o mandos mandos que que !ayan !ayan de ser ser tocados tocados servicio y y d. "stablecer conexiones equipotenciales entre la $ona donde se realice el servicio todos los elementos conductores accesibles desde la misma e 8islar los conduct conductores ores de de tierra tierra a su su entrada entrada en el terreno terreno 'e dispondr el suficiente nEmero de rótulos avisadores con instrucciones adecuadas en las $onas peligrosas y existir a disposición del personal personal de de servicio( medios medios de de protección tales como cal$ado( guantes( banquetas o alfombras aislantes . "n las líneas líneas de tierra tierra debern debern existir existir los suficie suficientes ntes puntos puntos de puesta puesta a tierra tierra o como también se llaman barrajes equipotenciales( mediante estos barrajes es posible interconectar todas las puestas a tierra( esto permite un fcil acceso a las diferentes puestas a tierra lo que facilita los mantenimientos y las mediciones de resistencia y equipotencialidad %n barraje es una pletina de cobre pretaladrada( con dimensiones y separación de pernos y !uecos Debe ser dimensionado de acuerdo con los requisitos inmediatos de aplicación y teniendo en consideración futuros crecimientos( sus dimensiones mínimas son de 3 mm de espesor x 35 mm de anc!o y longitud variable "s preferible pero no imprescindible que sea recubierto con níquel( si no lo es( debe limpiarse antes de unir los conectores Deben utili$arse conectores certificados de compresión de dos !uecos o soldadura soldadura exotérmica exotérmica y debe ser aislada de su soporte( se recomienda una separación d e 35 cm Para ver el grfico seleccione la opción FDescargar trabajoF del menE superior Gigura * -arrajes equipotenciales y $onas de conexión 3 Para la puesta puesta a tierra tierra se podrn podrn utili$ar utili$ar en cierto ciertoss casos( casos( previa previa justificación justificación:: a 7as canali$ canali$aci aciones ones metlic metlicas as b 7os 7os blin blindaj dajes es de de cab cable les s c 7os elemento elementoss metlicos metlicos de de las fundacio fundaciones( nes( exceptua exceptuando ndo las armadur armaduras as pretensadas del !ormigón . 7os conduct conductores ores o bajant bajantes es empleados empleados en en las puestas puestas a tierr tierra a cumplirn cumplirn las las siguientes prescripciones:
a =end =endr rn n una una resi resist sten enci cia a mecnica mecnica adecuada adecuada y ofrecern una elevada resistencia a la corrosión corrosión b. 'u sección ser tal( que la mxima corriente que circule por ellos en caso de defecto o de descarga atmosférica no lleve a estos conductores a una temperatura cercana a la de fusión fusión(( ni ponga en peligro sus empalmes y conexiones c Podrn Podrn usar usarse se como como condu conducto ctores res de de tierr tierra a las estructuras estructuras de de acero de apoyo de los elementos de la instalación d Deben instalarse procurando que su recorrido sea lo ms corto posible e 'e pro!íbe que el bajante de d e tierra presente cambios bruscos de dirección(( teniendo en cuenta que el ngulo dirección ngulo de curvatura no puede ser menor de 05 grados y tendr un radio de curvatura no menor de 256 mm 9/ pulgadas) f 'e recomienda que sean conductores desnudos instalados al exterior de forma visible( en el caso de que fuese conveniente reali$ar la instalación cubierta( deber serlo de forma que pueda comprobarse el mantenimiento de sus características a 7os empa empalme lmess y uniones uniones deber debern n reali$a reali$arse rse con con medios medios de de unión apropiados 9grampas 8mpact( soldadura exotérmica( etc)( que aseguren la permanencia de la unión y que no se experimenten calentamientos al paso de la corriente superiores a lo s del conductor( y estén protegidos contra la corrosión corrosión galvnica galvnica /) Para la medición de l a resistividad del terreno y la resistencia de tierra ser conveniente reali$ar las mediciones con el terreno seco( por lo menos a una semana después de d e la Eltima lluvia 0 #uando #uando la !umedad !umedad del terreno terreno varíe varíe considerabl considerablement emente e de unas épocas épocas del año a otras otras se tendr en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra 'e utili$arn recubrimientos con gravilla en la subestación entre o tras cosas como ayuda para conservar la !umedad del suelo *5) "n la subestación se pondrn a tierra los siguientes elementos: a b. c d e f. g ! i. j k. l. m n
7os c!asis c!asis y bastidores bastidores de aparat aparatos os de de maniobra maniobra 7os envolventes de los conjuntos de armarios metlicos 7as puert puertas as met metlic licas as de de los los local locales es 7as vallas vallas y cerc cercas as metli metlicas cas 7as column columnas( as( soport soportes( es( etc etc 7as estructuras y armaduras metlicas de los edificios que contengan instalaciones de alta tensión 7os blinda blindajes jes metlic metlicos os de de los los cables cables 7as tuberí tuberías as y cond conduct uctos os met metlic licos os 7as carcasas de los transformadores transformadores 7os !ilos de guarda o cables de tierra de las líneas aéreas aéreas 7os neutros de los transformadores transformadores 7os circuitos circuitos de de baja tensión de los transformadores de medida 7os limitadores limitadores(( descargadores descargadores(( pararrayos( pararrayos( para eliminación eliminación de sobretensione sobretensioness o descargas atmosféricas 7os element elementos os de derivació derivación n a tierra tierra de los seccionador seccionadores es de puesta puesta a tierra tierra
'ern interconectadas todas las puestas a tierra de la subestación 9puestas a tierra de servicio y protección)( garanti$ando la equipotencialidad de la misma
**) 7as puestas a tierra de los dispositivos d ispositivos utili$ados como descargadores de sobretensiones se conectar a la puesta a tierra del aparato o aparatos que protejan "stas conexiones se reali$arn procurando que su recorrido sea mínimo 9para evitar tensiones inducidas en los bajantes de conexión) y sin cambios bruscos de dirección dirección *2) "n los conjuntos conjuntos protegidos protegidos por envolvente metlica deber existir un conductor de tierra comEn para la puesta a tierra de la envolvente( dispuesta a lo largo de toda la aparamenta 7a sección mínima de dic!o conductor ser de 63 mm 2 de conductor cobre cobre 7as envolventes externas de cada celda se conectarn al conductor de tierra comEn( como asimismo se !ar con todas las partes metlicas que no formen parte de un circuito principal o auxiliar que deban ser puestas a tierra 8 efectos de conexión a tierra de las armaduras internas( tabiques de separación separación de celdas( etc( se considera suficiente para la continuidad eléctrica( su conexión con tornillos o soldadura ,gualmente las puertas de compartimento de alta tensión debern unirse a la envolvente de forma apropiada 7as pie$as metlicas de las partes extraíbles que estn normalmente puestas a tierra( deben mantenerse puestas a tierra mientras el aislamiento entre los contactos de un mismo polo no sea superior( tanto a frecuencia industrial como a onda de c!oque( al aislamiento de tierra o entre polos diferentes "stas puestas a tierra debern p roducirse automticamente *6) 7os elementos metlicos de la construcción construcción en en edificaciones que alberguen instalaciones de alta tensión( debern conectarse a tierra de acuerdo con las siguientes normas: a) "n los edificios de estructura metlica los elementos metlicos de la estructura debern ser conectados a tierra "n estas construcciones( los restantes elementos metlicos como puertas( ventanas( escaleras( barandillas( tapas y registros registros(( etc( así como las armaduras en edificios de !o rmigón armado( debern ser puestas a tierra cuando pudieran ser accesibles y ponerse en tensión por causa de fallas o averías b) #uando la construcción estuviera reali$ada con materiales materiales(( tales como !ormigón en masa( ladrillo o mampostería( no es necesario conectar a tierra los elementos metlicos anteriormente citados( ms que cuando pudieran ponerse en tensión por causa de defecto o averías( y adems pudieran ser alcan$ados por personas situadas en el exterior de los recintos de servicio eléctrico *.) 7os elementos metlicos que salen fuera del rea de la subestación( tales como raíles y tuberías( deben estar conectados a la instalación de tierra general en varios puntos si su extensión es grande 'er necesario comprobar si estos elementos pueden transferir al exterior tensiones peligrosas( en cuyo caso deben adoptarse las medidas para evitarlo mediante juntas aislantes( u otras medidas si fuera necesario *3) 7a cerca de la subestación se colocar a un metro !acia dentro del perímetro de la malla( para evitar tensiones de contacto peligrosas para una persona parada en la parte exterior de la subestación y tocando la cerca de la misma( la cerca se conectar a dic!a malla en cada uno de sus vértices "n subestaciones ya construidas donde la cerca de la subestación se encuentra separada de la malla( se garanti$ar lo siguiente: * 'i la cerca esta esta construi construida da de !ormigón( !ormigón( se conect conectar ar la puerta puerta de la subestac subestación ión con la malla por dos lugares garanti$ando la equipotencialidad del lugar( esta conexión se reali$ar utili$ando conductores de cobre o acero aceroCcobre Ccobre 2 'i la cerca cerca es metlic metlica a conjuntame conjuntamente nte con con la puerta puerta se conect conectar ar también también a la la malla de la subestación por varios lugares *;) 7as subestaciones alimentadas en alta tensión por cables subterrneos provistos de envolventes conductoras 9apantallado) unidas eléctricamente entre sí( se conectarn todas las tierras en una tierra general en l os dos casos siguientes: a) #uando la alimentación en alta tensión forma parte de una red de cables subterrneos con envolventes conductoras( de suficiente conductividad
o o
o
o
o
b) #uando la alimentación en alta tensión forma parte de una red mixta de líneas y cables subterrneos con envolventes conductoras( y en ella existen dos o ms tramos de cable subterrneo con una longitud total mínima de 6 >m con tra$ados diferentes y con una longitud cada uno de ellos de ms de * >m "n las instalaciones conectadas a redes constituidas por cables subterrneos con envolventes conductoras de suficiente sección( se pueden utili$ar como electrodos de tierra dic!as envolventes( incluso sin la adición de otros electrodos de tierra *4) Después de construida la malla sern comprobadas las tensiones de paso y contacto que pueden aparecer en la malla( garanti$ando que los valores medidos estén por debajo de los límites admisibles Para efectuar esto se utili$ara un voltímetro de resistencia interna de *555 H 7os electrodos de medida para simulación de los pies debern tener una superficie de 255 cm 2 cada uno y debern ejercer sobre el suelo una fuer$a mínima de 235 + cada uno( la fuer$a de 235 +eIton a que se alude puede obtenerse mediante pesos fuer$a de @er Gigura 2 'e emplearn fuentes fuentes de de alimentación de potencia adecuada para simular la falla( de forma que la intensidad empleada en el ensayo sea ensayo sea como mínimo el *< de la corriente para la cual !a sido dimensionada la instalación sin que sea inferior a 35 8 para subestaciones y 3 8 para centros de transformación( con lo que se eliminan los defectos de las posibles tensiones vagabundas o parsitas circulantes por el terreno #onsecuentemente( y a menos que se emplee un método de ensayo ensayo que que elimine el efecto de dic!as corrientes parsitas( por ejemplo( método de inversión inversión de de la polaridad( se procurar que la intensidad inyectada sea del orden del * por *55 de la corriente para la cual !a sido dimensionada la instalación y en cualquier caso no inferior a 35 8 para subestaciones y 3 8 para centros de transformación 1edidos los valores de tensión de paso 9@c) y contacto 9@p) a la corriente de ensayo 9,") se procede a calcular por extrapolación los valores de @c y @p a corriente de puesta a tierra ,=9corriente de falla a tierra para el cual !a sido diseñada la instalación) Para reali$ar la medición de estas tensiones se seguirn los siguientes pasos: a 1ediante el empleo del equipo adecuado inyectar una corriente alterna entre alterna entre el electrodo de tierra y un electrodo auxiliar9dispersor) b "l valor de de la corriente corriente a inyectar inyectar ser ser determin determinado ado siguiendo siguiendo las disposic disposiciones iones reglamentarias c "l electrodo electrodo auxiliar auxiliar !abr que que empla$arl empla$arlo o a una distanci distancia a tal que el reparto reparto de corriente que parte del electrodo resulte regular "ste aspecto ser preferible determinarlo por ensayo en la propia instalación d #on un voltím voltímetro etro de resistencia resistencia interna interna de *555 *555 H medir medir en el interior interior y en el exterior del Jrea protegida las tensiones presentes en el terreno a distancias de *m y entre partes metlicas del voltímetro emplear dos pesos de 23 >g cada uno y 255 cm2 de superficie de contacto con el suelo también cada uno e 7os 7os resu resultltad ados os obte obteni nido doss en el ensayo !abr ensayo !abr que referirlos a las condiciones presentes durante un fallo a tierra en la instalación( para ello bastar aplicar la expresión siguiente:
paso K contactoK #uando se utilice el método de inversión inversión de de polaridad se tendr en cuenta que:
Para la tensión de paso medida:
pmedida K Para la tensión de contacto medida:
cmedida K 'ie 'iendo
y
las tensiones de paso y contacto respect ectivamente
inyectadas en un sentido y y las inyectadas en sentido contrario 'e comprende la facilidad que este ensayo e nsayo puede entrañar riesgos riesgos para para el personal operador y para las personas en general( si los valores de corriente son elevados( y como desconocemos si van a aparecer gradientes de potencial elevados 7as medidas deben reali$arse por personal especiali$ado y extremando las condiciones de seguridad "s importante( delimitar la $ona donde se efectEan las mediciones mediante cintas( carteles de señali$ación( señales luminosas si fuera necesario( etc principalmente en los alrededores de los electrodos que se emplean como toma de tierra auxiliar( que puede estar constituida por varios electrodos de barra 7os sitios de medición deben tomarse al a$ar( tanto en la parte externa como interna y en tantos puntos como lo permita la instalación 'e deben dar prioridad a puntos ubicados en el perímetro de la malla( pues en estos sitios existe mayor probabilidad probabilidad de de tensiones altas( en especial los soportes metlicos( puertas metlicas de acceso( rejillas de ventilación accesibles a personas( carriles para el despla$amiento de transformadores y( en general( cualquier otro tipo de elemento que( en un momento dado( pueda estar en contacto con las personas( referenciando todos los lugares con una clara identificación Para instalaciones nuevas( sobre todo si son importantes( se recomienda efectuar las mediciones cuando ya esté montado todo el 'P= y antes de proceder a la etapa de acabados asflticos( de gravilla u otros Para ver el grfico seleccione la opción FDescargar trabajoF del menE superior Gigura 2 &epresentación de medición de tensión de paso y contacto */) 7as subestaciones después de ser construidas sers recubiertas en toda su rea con una capa de gravilla de *5 a *3 cm otra opción pudiera ser recubrir la misma con una capa de !ormigón de *5 cm( exceptuando las reas donde se encuentran los transformadores de potencia y los desconectivos por alta y baja 9interruptores o desconectivos portafusibles)( las cuales sern recubiertas con una capa de gravilla con un espesor no menor de *5 a *3 cm *0) 7os electrodos verticales de neutros y pararrayos se vinculan a la malla de tierra y sern tenidos en cuenta al determinar el valor total del sistema de puesta a tierra 25) 7a sección mínima de los conductores de tierra deber ser determinada en función de la corriente mxima previsible de falla 2*) 'i los clculos basados en el diseño preliminar indican que pueden existir diferencias de potencial peligrosos dentro de la subestación( las siguientes posibles soluciones soluciones deben deben ser estudiados y aplicadas donde sea apropiado: a Disminución Disminución total total de la resistenc resistencia ia de tierra: tierra: %na total total disminuci disminución ón de la resistenc resistencia ia de tierra disminuir el mximo LP& 9mxima elevación de potencial en la red de una subestación con respecto a un punto distante que se asume que est al potencial de tierra remoto) y por tanto la mxima tensión transferida 7a vía ms efectiva para disminuir la resistencia de una malla de tierra es por un incremento del rea ocupada por la malla
Po$os o varillas enterradas profundamente pueden ser usados si el rea disponible es limitada y las varillas penetran capas de baja resistividad %na disminución en la resistencia de la subestación puede o no disminuir apreciablemente los gradientes locales( dependiendo del método usado b "spaciamien "spaciamiento to cercano cercano de la malla: malla: #on el empleo empleo de espaciam espaciamientos ientos de de los conductore conductoress cercanos( la condición del plato continuo puede ser aprovec!ado ms estrec!amente Potenciales peligrosos dentro de la subestación pueden po r tanto ser eliminados a un costo "l problema en el p erímetro puede ser ms difícil( especialmente en pequeñas costo subestaciones donde la resistividad es alta 'in embargo( es usualmente posible enterrar los conductores de tierra por fuera de la línea de la cerca para asegurar que lo s gradientes escarpados que surgen inmediatamente fuera del perímetro de la malla no contribuyan a mayores tensiones peligrosas de contacto Btra manera efectiva y económica de controlar los gradientes es incrementar la densidad de varillas de tierra en el perímetro "sta densidad puede ser decrementada !acia el centro de la malla Btro método para controlar los gradientes perimetrales y los potenciales de paso es enterrando dos o ms conductores en paralelo alrededor del p erímetro a profundidades sucesivamente mayores segEn la distancia de separación de la subestación Btra metodología es variar el espaciamiento de los conductores colocando un espaciamiento menor de los conductores cercanos al perímetro de la malla c Desviar Desviar una gran gran parte parte de la falla falla de corrie corriente nte !acia !acia otros otros caminos( caminos( conect conectando ando conductores de guarda en líneas de transmisión o disminuyendo el valor de resistencia de la base de la torre en las proximidades de la subestación( parte de la corriente de la falla se desviar a partir de la malla 'in 'i n embargo( en relación con lo Eltimo( E ltimo( debe ser valorado el efecto de los potenciales de falla cercanos a las bases de las torres d 7imitando 7imitando la corrien corriente te de falla total: total: 'i es factibl factible( e( limitando limitando la corrien corriente te total total de la falla disminuir el LP& y todos los gradientes en proporción 'in embargo( otros factores !arn normalmente esto imprctico 8dems si es reali$ado a cuenta de un mayor tiempo de limpie$a de la falla( el daño puede ser incrementado en lugar de disminuir e 7imitando 7imitando el acceso acceso a reas reas limitadas: limitadas: 7imitan 7imitando do el acceso acceso a ciertas ciertas reas se se reducir reducir la probabilidad de probabilidad de daños al personal 22) 7a profundidad de enterramiento de la malla se reali$ar a profundidades que oscilen entre 5;5 y 5/5 m 26) 8l margen de las necesidades específicas relativas a la resistividad del terreno y a las tensiones de paso y contacto( las retículas de la malla de tierra se podrn densificar mediante el agregado de ramas adicionales en las proximidades de las estructuras de retención de barras el !ilo de guarda( los transformadores de medida y pararrayos 2.) 7os bajantes para conexión a la malla debern ser conectadas( con la mínima longitud posible( a dos de los lados de la retícula que rodean los lo s pórticos yMo estructura soporte de equipo #ada conexión se !ar lo ms cercana a los cruces de la malla 7a sección de los cables de bajada deber ser igual a la sección del cable de la malla de tierra 23) 7os pararrayos se conectarn a la malla d e tierra de forma tal que las corrientes que drenen no afecten la $ona de puesta de aparatos de señal 9=#( =@( capacitores capacitores de de acople) 2;) 7os canales interiores para cables llevarn un conductor de puesta a tierra similar al de los exteriores igualmente vinculado a la malla de puesta a tierra 24) 7os locales donde se instale equipamiento electrónico debern estar provistos de un plano de tierra equipotencial( compuesto por una planc!a de cobre continuo sobre todo el piso( con un espesor aproximado de 5* mm o cinta de cobre *55 x * mm en configuración mallada( dependiendo del nEmero y posición de los aparatos( instalada por ejemplo bajo el falso piso Dic!o plano de tierra constituir el colector de la puesta a tierra funcional y de seguridad( para todos los aparatos electrónicos instalados( de clase 2 >@
"l plano de tierra deber ser conectado a una Enica toma de tierra que llegue a la malla de tierra mediante conexión de sección adecuada Dic!a conexión( si es de longitud superior a algunos metros( deber ser de tipo blindado( debiendo ser dic!o blindaje conectado a tierra( sólo del lado de la malla de tierra 7as tierras de los aparatos debern conectarse al mencionado plano de tierra equipotencial( en modo radial( cada una con conexión propia de mínima longitud =odos los aparatos no electrónicos 9otras alimentaciones y servicios como la instalación de acondicionamiento de aire aire(( etc)( debern conectarse a la toma de tierra utili$ando conexiones independientes de las anteriores 2/) #omo metodología de clculo de la malla para suelos uniformes se utili$ar la propuesta por la ,""" 'tdC/5 2555: #onstantes: N : &esistividad aparente del terreno( Hm , : #orriente de falla monofsica en el secundario( >8 ,o : #orriente de falla monofsica a tierra en el primario( 8 tc : =iempo de despeje de la falla( s OG : #onstante para diferentes materiales materiales a a diferentes temperaturas de fusión =m y una temperatura ambiente de .5 o# @ariables: !s : Lrosor de la capa superficial( m Ns : &esistividad aparente de la capa superficial( Hm 7* : 7argo de la malla( m 72 : 8nc!o de la malla( m ! : Profundidad de enterramiento de la malla( m 7c : 7ongitud total del conductor !ori$ontal( m 7v : 7ongitud de un electrodo tipo varilla( m D : "spaciamiento entre conductores( m + : +Emero de electrodos tipo varilla %paso tolerable : =ensión de paso tolerable( @ %contacto tolerable : =ensión de contacto tolerable( @ %reticula : =ensión de la retícula en caso de falla( @ %paso : =ensión de paso en caso de falla( @ 8 : 'ección transversal del conductor( conductor( mm2 #s : #oeficiente en función del terreno y l a capa superficial 7= : 7ongitud total del conductor( m 8 : rea disponible para construir construir la puesta a tierra( m 2 &g : &esistencia de puesta a tierra calculada( H Om : Gactor de espaciamiento para tensión de malla Oii : Gactor de corrección por ubicación de e lectrodos tipo varilla 7p : 7ongitud del perímetro O! : Gactor de corrección por la profundidad de enterramiento de la malla n : Gactor de geometría Oi : Gactor de corrección por geometría por geometría de la malla Os : Gactor de espaciamiento para la tensión de paso : #orriente admisible por el cuerpo !umano a) Conductor a utilizar:
8mm2 K
mm2 92)
b)Tensiones de paso y contacto máximas tolerables:
Para una persona de 45 >g:
9corriente admisible soportada por el cuerpo !umano) !umano)
%paso tolerableK
9@) 96)
%contacto tolerableK Donde:
#sK*C
9@) 9.)
93)
c) Determinación de la configuración inicial:
7ongitud del conductor 7 = K 7cQ+ R 7v 9m) 9;) Donde 7cK9 #lculo del rea: 8K7*R72 9m2)
9m) para mallas cuadradas o rectangulares
d) Cálculo de la resistencia de puesta a tierra R g en ohmios: g en
&gK
9H) 94)
e) Cálculo del máximo potencial de tierra (!R):
LP& K ,L R &g 9@) donde , LK*(0 ,o 98) 9/) 'i LP& A %contacto tolerable se calculan las tensiones de malla y de paso en caso de fallaS si LP& T %contacto tolerable ( entonces el diseño !a concluido f) Cálculo de tensión de ret"cula en caso de falla:
%reticulaK
9@) 90)
Donde: OmK 9*5) Oii K * para mallas con electrodos de varilla a lo largo del perímetro( en las esquinas o dentro de la malla Oii K O!K
para mallas sin electrodos tipo varilla o con pocas varillas dentro de la malla y Oi K 5;.. Q 5*./ R n
n K naRnbRnc donde: n aK nb K ncK 7pK 97*Q72)R2 9m) para mallas cuadradas o rectangulares %reticula A %contacto( se debe cambiar la configuración de la mallaS si % reticula T %contacto se pasa a calcular la tensión de paso g) Cálculo de la tensión de paso en caso de falla:
%pasoK
9@) 9**)
OsK 9*2) 'i %pasoA %paso tolerable cambiar la configuración de la mallaS si % paso T %paso tolerable el diseño !a terminado 20) 'e establece como valor mximo de resistencia de puesta a tierra a lograr con la malla de tierra diseñada un valor de * B!m 65) 'e utili$ar un modelo de clculo ms complejo 9modelo 9modelo de dos capas) para diseñar una malla de tierra( cuando estemos en presencia de suelos con una marcada no uniformidad 9suelos multicapas) 8dems( cuando existen asimetrías en la malla( cuando existen espaciamientos desiguales en conductores o varillas y cuando es necesario ms flexibilidad en la determinación de puntos locales de peligro 6*) "n lugares donde sea necesario reali$ar el montaje de po$os profundos para lograr disminuir la resistencia de la malla se seguirn los siguientes criterios: o
o
o
o
o
o
"l criterio fundamental para decidir el montaje de electrodos profundos( es que las capas inferiores sean de muc!a menor resistividad( esto es verificado al reali$ar el sondeo de resistividad a varias profundidades Deben ser ubicados en la periferia de la malla( pero como parte de ella( no separados 7a profundidad a la cual se enterrar el electrodo profundo estar determinada por el sondeo de resistividad reali$ado( el que determinar a que profundidad se encuentra la menor resistividad( y a esta ser la profundidad donde se montar el electrodo profundo Uue el montaje del po$o profundo lle gue a profundidades donde se encuentre el manto fretico 9saturación de !umedad) no garanti$a que exista una baja resistividad "l !oyo que se abra para el montaje del electrodo profundo ser rellanado con el mismo suelo que se extrae o con un suelo artificial de baja resistividad 'e garanti$ar que el suelo que se utili$a como relleno debe ser debidamente compactado alrededor del electrodo
1. Concl onclu" u"iione" one" ,
#on el anlisis anlisis crítico crítico de las normativas vigentes en #uba en relación al diseño de las mallas de tierra en subestaciones se llega a la conclusión que se debe !acer una revisión de las mismas( para que recojan los nuevos descubrimientos que !an acontecido en este campo 9en cuanto a clculo( medición( configuraciones de puestas a tierra( mejoramiento de los sistemas de puesta a tierra( entre otros) 1uc!os de estos aspectos son mencionados en la guía reali$ada por el autor
,,
7a guía guía de de diseño diseño reali reali$ad $ada a consti constituy tuye e una !err !erramie amienta nta de de diseño diseño de de muc!a muc!a importancia para dar respuesta a las situación existente en el país vinculada con este tema "sta "sta guía guía puede puede serv servir ir de base base para para elab elabora orarr una nuev nueva a norma norma cuba cubana na para para el diseño de mallas de tierra en subestaciones de potencia
,,, ,,,
#i$lio!ra%&a * Lerencia Lerencia =écnica( =écnica( =ransen =ransener er '8 Luía Luía de diseño diseño y normas normas para puesta puesta a tierra tierra de estaciones transformadoras 8rgentina transformadoras 8rgentina 2 #asas Bspina( Bspina( Gavio Gavio =ierras =ierras 'oporte 'oporte de la 'eguridad 'eguridad "léctri "léctrica ca 'egunda 'egunda "dición "dición -ogot D#( Vunio del 2556
6 ,""" 'td 'td /5C2555 /5C2555 9&evision 9&evision of ,""" 'td 'td /5C*0/;) /5C*0/;) ,""" ,""" Luide Luide for 'afety 'afety in 8# 'ubstation Lrounding 8pproved 65 Vanuary 2555 4. +oriega 'tefanova( "rnesto 1etodología para el diseño de sistemas de puesta a tierra en líneas y subestaciones para tensiones intermedias =esis =esis presentada presentada en opción al grado científico de 1aster en en ,ngeniería ,ngeniería "léctrica "léctrica distribución comisión comisión de reglamentos 5. %+"'8( %nidad "léctrica( '8 #omité de distribución 1étodo de clculo y proyecto proyecto de de instalaciones de puesta a tierra para centros de transformación conectados a redes de tercera categoría *0/0 ; +orma "spañola "spañola ,=# 1,"C&8= 1,"C&8= *6 ,nstalacion ,nstalaciones es de puesta puesta a tierra tierra 4 Lranero( Lranero( 8ndrés 8ndrés #entro #entro de Gormació Gormación n 'c!neider 'c!neider 1edidas 1edidas y vigilancia vigilancia de las las instalaciones de puesta a tierra 1ayo 255*
Autor' M.Sc. Erne"to Norie!a Ste%anoa "mpresa "léctrica 1atan$as #%-8 ensWcuXya!oocom Dato" del autor' +ació el 4 de Vulio de *046( obtuvo los títulos de ,ngeniero "lectricista en *00/ y 1aster en en ,ngeniería "léctrica en el año 255. en la %niversidad %niversidad #entral #entral de las @illas Desde *00/ !asta la fec!a se desempeña como ,nvestigador Principal del Lrupo de ,ngeniería de Distribución de la "mpresa "léctrica "mpresa "léctrica 1atan$as 'u experiencia profesional se centra en la actividad de investigación investigación(( operación de los sistemas de distribución y docencia a reali$ado diversas investigaciones en su empresa vinculada empresa vinculada a las temticas de puestas a tierra( protección contra rayos de las redes de distribución( coordinación coordinación de de aislamiento y calidad de energía E*re"a El+ctrica Matan,a". #ontreras Y 45( #P .5*55 1atan$as #%-8
