Sistemas de puesta a tierra t ierra y protección contra descargas atmosféricas Publicado por sectorelectricidad Distribución,, Transmisión Distribución En este documento se presenta un resumen sencillo de los aspectos metodológicos prácticos para consideraciones consideraciones de sistemas de puesta a tierra y protección contra descargas descargas atmosféricas en instalaciones de subestaciones eléctricas del tipo exterior.
I. INTRODUCCIÓN
Los istemas de Puesta a Tierra !P"T# se instalan con la finalidad de garanti$ar la conexi con exión ón del poten potencia ciall a tierra tierra de los e%u e%uipo iposs %ue lo re%uie re%uieran ran !transf !transform ormad adore ores, s, motores, etc# y la integridad del personal y suscriptores de la empresa.
Este dise&o tradicionalmente se 'a reali$ado en función de la resisti(idad del terreno, donde será ubicado el P"T, y el l)mite máximo establecido para el (alor de la resistencia de la toma de tierra por las normas nacionales e internacionales, y los limites permisibles de (olta*es (olta*es para las personas personas y e%uipos. e%uipos.
Pero además el P"T P"T se utili$a, para drenar a tierra las sobretensiones, sobretensiones, por la operación de los descargadores descargadores de sobretensiones, sobretensiones, (ulgarmente denominados pararrayos.
En el caso de tomas con resistencia de tierras muy ele(adas, la operación de estos descargadores puede %ue no sea efecti(a ocasionando la circulación de corrientes de fallas sobre las superficies aislantes de los elementos de la red, pro(ocando posibles danos de los e%uipos, riesgo eléctrico en las personas e interrupciones del ser(icio eléctrico.
Especial importancia re(iste el 'ec'o de %ue al circular estas corrientes por las tomas de tierra tierra,, aparec aparecen en difere diferenci ncias as de potenc potencial ial,, las cuales cuales pod podr)a r)ann exced exceder er el umbra umbrall de tolerable por los seres 'umanos, de a') %ue estas condiciones transitorias puedan degenerar en riesgo eléctrico a las personas y %ue deben ser tomadas muy en cuenta para el dise&o del del sistema a utili$ar. utili$ar.
En este art)culo se muestran un bre(e bos%ue*o de los conceptos asociados a los sistemas de puesta a tierra además de fundamentos del proceso de descarga atmosférica u los sistemas de protección asociados. asociados.
II. SISTE!S SIST E!S DE D E "UEST! ! TIERR!
La palabra aterramiento es com+nmente utili$ada !de manera poco elegante# en sistemas eléctricos de potencia, para cubrir los sistemas de puesta a tierra y el aterramiento de e%uipos y del neutro.
La puesta a tierra comprende cual%uier conexión metálica, sin fusible, ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situaciones tales %ue, en todo momento, se pueda asegurar %ue los elementos se encuentran al mismo potencial de tierra.
!. O#$eti%o
Las ra$ones %ue más frecuentemente se citan para tener una un P"T son
- Propo Proporci rciona onarr una impeda impedanci nciaa sufici suficient entem ement entee ba*a ba*a para para facili facilitar tar la ope operac ración ión satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla. - "segurar %ue personas presentes en la estación, no %ueden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla. - antener los (olta*es del sistema dentro de l)mites ra$onables ba*o condiciones de falla !tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inad(ertido con sistemas de (olta*e mayor#, y asegurar %ue no se exceda el (olta*e de ruptura dieléctrica del aislante. - Limitar el (olta*e a tierra sobre materiales conducti(os %ue circundan conductores o e%uipos eléctricos.
tras ra$ones citadas menos frecuentemen f recuentemente, te, incluyen
- Estabili$a Estabili$arr los (olta*es fase a tierra en l)neas l)neas eléctrica eléctricass ba*o condicione condicioness de régimen permanente, por e*emplo, disipando cargas electrostáticas electrostáticas %ue se 'an generado debido a nubes, pol(o, agua, nie(e. - Proporcionar una trayectoria alternati(a para las corrientes inducidas y de tal modo minimi$ar el ruido eléctrico en cables. - Propor Proporcio cionar nar una plataf plataform ormaa e%u e%uipo ipoten tencia ciall sobre sobre la cual cual pue pueda da ope operar rar e%u e%uipo ipo electrónico.
Para desempe&arse adecuadamente cumpliendo cual%uiera de las funciones anteriores, el P"T debe generalmente tener una ba*a impedancia, de modo %ue ya sea dispersando o recogiendo corriente desde el terreno, no se produ$ca un aumento de (olta*e excesi(o.
III. DISE&O DE S"!T
Para el dise&o de un P"T en general es necesario identificar los distintos elementos %ue lo conforman y los factores %ue de una u otra podr)an afectarlo, para as) determinar cual
es el camino más fiable en la implementación del mismo, garanti$ando un sistema confiable, seguro y de larga duración.
'( Resisti%idad de) Terreno
Esta es la magnitud caracter)stica de toda materia, %ue expresa su aptitud para la cond conduc ucci ción ón de corri corrien ente tess eléc eléctr tric icas as./ ./ repr repres esen enta ta la resi resist sten enci ciaa de una una mate materia ria considerada, cuyas cuyas dimensiones son la unidad, por e*emplo un cubo de un metro de lado la resisti(idad será expresada en !'m-m#.
Las medidas de resisti(idad de la tierra tienen un triple propósito
0. Este tipo de datos es usado para reali$ar reconocimientos geof)sicos deba*o de la superficie como ayuda para identificar $onas de mineral, profundidades de roca y otros fenómenos geológicos. 1. La resisti(idad posee un impacto directo sobre el grado de corrosión en tuber)as ba*o tierra. 2na ba*a resisti(idad, tiene relación con un aumento en acti(idad corrosi(a y as) dicta el tratamiento protecti(o a usar. 3. La resisti(idad de la tierra afecta directamente el dise&o de un sistema de toma de tierra y a este +ltimo propósito es el %ue será explicado en el presente traba*o.
"l dise&ar un P"T P"T extenso, extenso, es recomendable locali$ar el área de menor resisti(idad de la tierra para conseguir la instalación de puesta a tierra más económica.
La resisti(idad del terreno (ar)a ampliamente y afectada por (arios aspectos 4aturale$a del terreno, terreno, 'umedad 'umedad,, temperatu temperatura, ra, salinidad salinidad,, estratigra estratigraf)a, f)a, (ariacion (ariaciones es estacion estacionales, ales, factores de naturale$a eléctrica, compactación. compactación.
a( étodos Tradiciona)es para )a edición de Resisti%idad de Tierra
La resisti(idad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad de la roca, as) como para encontrar los puntos óptimos para locali$ar el con*unto de electrodos %ue conformaran el P"T.
*'( étodo de )os cuatro e)ectrodos o método de +enner
Este método fue desarrollado por 5ran6 7enner del 2.. 8ureau f tandards en 090:, 5. 7enne nner, r, " et'od et'od of easur easuring ing Eart' Eart' ;esis ;esisti( ti(ity ity<< 8ull, 8ull, 4ation 4ational al 8urea 8ureauu of tandards, 8ull.
Este Este método método con consis siste te en introd introduc ucir ir cuatro cuatro electr electrodo odoss de prueba prueba en l)nea l)nea recta recta y separados a distancias iguales !a#, enterrados a una profundidad !b# %ue es igual a la (igésima parte de la separación de los electrodos de prueba !b= a>1?# y (an conectados al e%uipo de medición, el cual introduce una intensidad de corriente entre los electrodos @0 y @1, generando una diferencia de potencial entre los electrodos P0 y P1 !AP0 ,P1#, %ue será medida por el e%uipo, a su (e$ en la pantalla tendremos el resultado de la relación !A>B# %ue por ley de 'm es ;.
La separación entre los electrodos dará la medida de resistencia a un estrato de espesor de terreno %ue es igual a ' = a, con este (alor de resistencia se calculará la resisti(idad aparente del terreno mediante la ecuación
*,( Sistema Simétrico
Es una (ariante del método de 7enner 7enner %ue se utili$a cuando los electrodos de prueba no pueden introducirse a inter(alos regulares. Para aplicar este método se utili$an dos electrodos de corriente y dos de potencial %ue se conectan al e%uipo de medición.
Los cuatro electrodos de prueba se colocan simétricos con respecto a un punto %ue se sit+a en el centro de la medición.
El (alor de la resisti(idad será la del estrato de terreno %ue esta deba*o del punto . La relación entre la distancia de los electrodos de corriente y la profundidad o estrato de terreno a la cual se esta midiendo la resisti(idad aparente es
"l igual %ue en el método de los cuatro electrodos, se irán separando los electrodos de corriente, y por lo tanto aumentando la distancia L y as) se conocerá el (alor de la resisti(idad a una profundidad ' mayor. El (alor de la resisti(idad aparente se obtiene por medio de la siguiente ecuación
El (alor de ; se obtiene igual %ue en el método de los cuatro electrodos.
#( étodos de C-)cu)o de Resisti%idad en Terrenos i/ Estratificados
2no de los 2no los usos usos más más impo importa rtant ntes es de las las medi medida dass de resi resist sti( i(id idad ad en suel suelos os bibiestrat estratifi ifica cados dos,, es %ue media mediante nte ellas ellas se pue puede denn deter determin minar ar la profun profundid didad ad de la superficie de la primera capa, su densidad real, y su factor de reflexión, as) como también caracter)sticas de la capa siguiente, de esta forma es posible modelar los suelos de acuerdo a sus caracter)sticas eléctricas. @omo resultado, se 'a prestado una atención considerable a la interpretación de lo %ue es conocido como las cur(as de profundidad.
i es usada la configuración de 7enner, cuatro electrodos igualmente espaciados, y mediante estas se reali$an diferentes medidas (ariando la separación de los electrodos para cada caso, es posible graficar las resisti(idades resultantes (s la separación de los electrodos, teniendo como consecuencia una cur(a de profundidad.
Desde la primera aparición de la inspección de la resisti(idad la interpretación de tales cur( cur(as as 'a sido sido una una cues cuesti tión ón de gran gran preo preocu cupa paci ción ón y cont contro ro(e (ers rsia ia para para algu alguno noss in(estigadores, lo %ue 'ace este estudio un problema de gran en(ergadura.
Los métodos de interpretación %ue 'an sido desarrollados pueden ser aproximadamente di(ididos en dos clases. El primero de estos es netamente emp)rico y basado en la
experiencia. El segundo consiste en un n+mero de métodos %ue son basados en las teor)as y cálculos de (arios autores.
*'( étodo Emp0rico
Debido a %ue el estudio de los suelos puede tornarse bastante comple*o, representando una meta de gran en(ergadura para los profesionales del campo, muc'os expertos prefieren basarse en la experiencia< experiencia< por tanto 'an desarrollado desarrollado técnicas no muy precisas, precisas, con la sal(edad de %ue en muc'os casos sobredimensionan dic'os P"T y por ende llegan a resultados fa(orables, %ue se (en contrarrestados por la in(ersión económica %ue se debe reali$ar. La experiencia de campo tiene muc'os métodos, %ue se basan en las medidas de resisti(idad del terreno donde se (a a ubicar el sistema.
El primero de los métodos a mencionar consiste en tomar las medidas de campo del terreno en estudio, y lle(arlas a una grafica, la cual se denomina cur(a de resisti(idad aparente o cur(a de profundidad. Dado a %ue el método de medida de resisti(idad com+nmente usado es el método de 7enner, se re%uiere graficar las medidas de resisti(idad obtenidas (s la separación de los electrodos a la cual corresponde cada una (er figura 4C .
Fig 1. Curva Ejemplo de Resistividad Aparente
El primer criterio %ue se tiene es e(aluar la (ariación entre las medidas adyacentes. i se cumple %ue la (ariación entre medidas es mayor o igual al 0?, se tiene asume %ue el suelo es 'eterogéneo, y %ue puede estar compuesto por (arios estratos, en donde el (alor de resisti(idad al primer estrato corresponde a la medida patrón, es decir la medida con la cual se esta comparando. comparando. "simismo se menciona otro método de cálculo un poco más radical, el método aplicado consiste en obser(ar la cur(a punto a punto de manera %ue se pueda leer el primer punto de inflexión presentado, en este caso casualmente corresponde al mismo (alor arro*ado por el primer método. método. El método %ue mayormente se usa en la práctica, es el de reali$ar un promedio de las medidas tomadas en el terreno, y asumir %ue el suelo es 'omogéneo, 'omogéneo, aun%ue los resultados generalmente sean fa(orables, no conlle(an a la me*or solución económica ya %ue cuando se aplica este método, el dise&ador se (e obligado a sobredimensionar el sistema de manera tal de %ue se cumpla con los ob*eti(os propuestos. @uando los estudios del suelo, arro*an (alores altamente cr)ticos, es decir (alores de resisti(idad mayores a 3??? F-m la práctica conlle(a a introducir barras a libre albedr)o 'asta %ue se tenga una resistencia de puesta a tierra fa(orable para el cliente.
*,( étodos Directos #asados en teor0as y c-)cu)os
on más confiables con respecto a los métodos anteriormente presentados. La mayor dificultad %ue presentan es %ue la teor)a supone condiciones ideales, tales como, suelos con capas isotrópicas uniformes con interfaces paralelas a la superficie. in embargo tales condiciones ideales son raramente encontradas en la práctica y pueda %ue algunos errores e inconsistencias pueden aparecer en las deducciones, no obstante es posible obtener resultados +tiles para las diferentes aplicaciones.
Fig. 2. Problema Problema de las dos Capas.
i los resultados obtenidos con la aplicación de los siguientes métodos, no dan una respuesta sensata, entonces esto puede ser tomado como una indicación de %ue las condiciones difieren ampliamente de las asumidas en la teor)a suelos anisotropicos, estratificación inclinada.
T"GG, aplica un estudio (igoroso de los suelos biestratificados y llega a la siguiente ecuación
!H#
La cual considera las capas 'omogéneas y representa el potencial de cual%uier punto de la superficie a una distancia r de un punto donde se inyecta una corriente B
" partir de !:# reali$a un estudio para la aplicación de la misma, utili$ando el método de 7enner. La 5igura 3 muestra la configuración de 7enner, la corriente B entra por el punto " y sale por el punto 8, produciendo un potencial en 8 y @. La fuente de corriente " esta esta a una distancia a de 8.
Fig . 3. Configuración de enner enner ! el Problema de las dos Capas.
i se sustituye en !H#, !r = a# el resultado es el siguiente
!H.0#
"simismo, la corriente %ue sale en D a una distancia 1a de 8, refle*a un potencial en 8 como se muestra a continuación.
!H.1#
@onsecuentemente @onsecuentemente el potencial en 8 es el siguiente
!H.3 #
Por simetr)a el A@ = I A8, entonces se puede deducir %ue
!H.H #
Dic'a expresión se puede escribir de la siguiente manera
!H .:#
i se (erifica %ue la separación entre los electrodos mediante el método de 7enner es muc'o mayor %ue la profundidad de los mismos, se cumple la !1# y la expresión anterior se puede representar de la siguiente manera
!H. J#
La cual puede ser rescrita como
!:#
!:# es conocida como la ecuación de T"GG, mediante ésta, T"GG determinó unas cur(as maestras %ue consisten simplemente en darle (alores a las (ariables 6, ', y a, obteniendo unos (alores de Ka>K0 para cada caso. La (ariable representa el coeficiente de reflexión de la primera capa, es preciso recordar %ue , (ar)a entre -0 y 0, es decir %ue para (alores de entre -0 y ? se obtienen resultados de Ka>K0 mayores %ue ? y menores %ue 0, anal)ticamente el caso corresponde a %ue la primera capa posee una resisti(idad mayor %ue la segunda. "simismo para (alores de entre ? y 0, los (alores de Ka>K0 serán mayores a 0, ya %ue la resisti(idad de la segunda capa es mayor %ue la de la primera, en este caso es (iable
traba*ar con la relación de conducti(idad, obligando a la relación M0> Ma, a (ariar entre ? y 0.
Fig. ". Curvas #aestras para $ %egativa. %egativa. &uelo 'iestratificado
Fig. ( Curvas #aestras para $ Positiva. &uelo &uelo 'iestratificado
*1( étodo 2r-fico de Sunde3s
El étodo de undeNs utili$a utili$a la 5igura J para modelar el suelo en dos estratos, el cual se basa en las medidas obtenidas por el método de 7enner. 7enner. Los parámetros K0 y K1 son tomados de la figura de resisti(idad obtenida por el método 7enner< K0 corresponde al primer (alor medido, asimismo K1 representa el +ltimo de la figura. Es preciso decir %ue, aplicando el método de undeNs solo se puede obtener el (alor de la profundidad del primer estrato, ya %ue los (alores K0, y K1 son escogidos a simple (ista de la figura de resisti(idad aparente, lo %ue 'ace %ue este método sea impreciso y arro*e resultados desfa(orables con respecto a otros. " continuación se explica el es%uema de cálculo.
0- Graficar la cur(a obtenida de resisti(idad aparente (s la separación de los electrodos. 1- Estimar los (alores de K0 y K1, K0 corresponde a (alores pe%ue&os de separación de los electrodos para los cuales fue medido, asimismo K1 corresponde a (alores de separación grande para los cuales fue medido. 3- Determinar K1>K0, y seleccione una cur(a de undeNs !5igura 4CJ# %ue se aproxime al (alor calculado. H- obre la 5igura J, eleccionar el (alor de Ka>K0 %ue se aproxime a la cur(a obtenida por K1>K0 :- Leer el (alor de a>' sobre el e*e de las abscisas. J- ultiplicar el (alor obtenido K a>K0 por el (alor de K0 escogido al principio. - Leer a sobre la figura de resisti(idad r esisti(idad aparente, aparente, el (alor de Ka obtenido. O- ediante la relación a>', calcular ' con el (alor de a conocido.
Fig. ). Curvas de &unde*s &unde*s
,( Resistencia de "uesta a Tierra de una a))a
Para el calculo de la resistencia de la malla a tierra existen di(ersos métodos %ue dependiendo de ciertas condiciones pueden dar de una manera aproximada un (alor cercano al real de la malla de tierra de una subestación eléctrica. eléctrica.
2n método simple empleado por Laurent y 4ieman, el cual es recomendado por el estándar O? de la BEEE, utili$a para este calculo una modificación de la ecuación del electrodo en forma de plato circular, sumándole un segundo termino, %uedando la expresión de la resistencia de la malla de la siguiente manera
!J# Donde ; = ;esistencia de la malla, en F. K = ;esisti(idad promedio del suelo, en F-m. L = Longitud total del conductor enterrado, en m. r = ;adio de un circulo con igual área %ue es ocupada por la instalación de puesta a tierra
El segundo término de la expresión indica %ue la resistencia de una malla es mayor %ue la de un plato sólido, y %ue esta diferencia decrece cuando la longitud del conductor aumenta.
in embargo, la resistencia de la malla de tierra determinada mediante !J# es una aproximación bastante general puesto %ue no toma en cuenta factores como por e*emplo la long longit itud ud efec efecti ti(a (a del del cond conduc ucto torr de la malla malla de tier tierra ra %ue %ue esta esta en exis existe tenc ncia ia actualmente, por tanto para la determinación de la resistencia de la malla de tierra de una subestación cuando no se conoce de la existencia de electrodos o (arillas de tierra y para mallas enterradas a una profundidad de entre ?,1: y 1,: m< es necesario %ue se tome en cuenta un factor por la profundidad de enterramiento de la malla lo cual influirá dire direct ctam amen ente te en su resi resist sten enci ciaa de tier tierra ra,, la util utili$ i$ac ació iónn de este este fact factor or y de otro otross parámetros %ue influyen directamente sobre la resistencia de la malla lle(a a la utili$ación de la aproximación de (era6Ns para la determinación de la resistencia de la malla de tierra de una subestación !recomendada por la BEEE# y la ecuación a utili$ar es entonces la %ue sigue a continuación
!# Donde ;G = ;esistencia de la malla de tierra del área de la >E, en F.
K = ;esistencia aparente del terreno de la subestación, en F.m. L = Longitud efecti(a del conductor de la malla de la subestación !medido directamente en el plano de la malla de tierra existente actualmente %ue se desea medir, en m.#. " = rea cubierta por la malla de tierra %ue se desea medir, en m1. ' = Profundidad de la malla de tierra, en m.
tro método para determinar y e(aluar el estado de una malla de tierra, cuando se conoce la presencia de electrodos o (arillas de tierra es empleando el método de c'Qar$, %ue se basa en la expresión siguiente
!O# Donde ; = ;esistencia de la malla de tierra. ;00 = ;esistencia de los conductores de la malla de tierra. ;11 = ;esistencia de todas las barras enterradas. ;01 = ;esistencia mutua entre el grupo de electrodos y los conductores de la malla.
De la ecuación anterior se tiene %ue cada uno de los parámetros in(olucrados se calculan de la siguiente manera
Donde Lb = Longitud de las barras Lcond = Longitud de los conductores de la malla. d = Diámetro de los conductores. db = Diámetro de las barras. ' = Profundidad de la malla nb = 4+mero de barras. " = rea cubierta por la malla. 0 y 1 = on constantes %ue dependen de la relación largo y anc'o de la malla, de la profundidad ', y en general puede asumirse %ue sus (alores son aproximadamente 0= 0.H y 1 = :.J.
1( Ca)cu)o para )a Sección de) Conductor de )a a))a de Tierra
Los conductores de la malla de tierra deben dise&arse de manera %ue
R ;esistan la fusión y el deterioro de las *untas eléctricas ba*o las más ad(ersas combinaciones combinaciones de magnitud y duración de las corrientes de falla.
R ean mecánicamente resistentes, especialmente en a%uellos sitios expuestos a grandes esfuer$os f)sicos. R Tengan suficiente conducti(idad, de manera %ue no contribuyan substancialmente a diferencias locales de potenciales peligrosos.
El conductor de cobre adecuado para la malla de tierra, puede ser obtenido de la siguiente ecuación desarrollada por nderdon6 y recomendada por la BEEE en su publicación td. O? de 09OJ
!9# Donde " = ección del conductor, en circular mil. B = @orriente ; de cortocircuito, en amperios. = Tiempo en segundos, durante el cual la corriente B es aplicada. Es el mismo tiempo de despe*e de la falla. Ta = Temperatura ambiente en grados cent)grados !usualmente se usa H? o@#. Tm = Temperatura máxima permisible, en grados cent)grados !usualmente se usa H:? o@ para uniones de fusión y 1:? o@ para uniones apernadas# En donde
!0?# Donde Tor = Tiempo de operación del relé de tierra, en seg. Toi = Tiempo de operación del interruptor en seg.
Generalmente, la resistencia mecánica fi*a una sección m)nima para los usos prácticos, utili$ándose un conductor H>? de cobre como m)nimo para la malla de tierra y un
conductor 1>? "7G de cobre como m)nimo para la puesta a tierra de los e%uipos y estructuras a la malla a tierra.
4( Ca)cu)o de )as Tensiones de To5ue y "aso To)era#)es
En primer lugar se da las definiciones de tensión de to%ue tolerable y tensión de paso tolerable
a( 6o)ta$e de d e To5ue To5ue To)era#)e7 Es la máxima diferencia de potencial %ue puede experimentar una persona en contacto con un e%uipo aterrado, en el momento de ocurrir una falla. La distancia máxima para tocar un e%uipo supone %ue es máximo alcance 'ori$ontal, la cual se asume a un !0# metro.
#( 6o)ta$e de "aso To)era#)e7 Es la máxima diferencia de potencial %ue puede experimentar una persona caminando en la superficie de la subestación en sus alrededores al momento de ocurrir una falla, esta diferencia de potencial se toma entre dos puntos separados a una distancia de un !0# metro.
Los estudios referidos en la BEEE-O? @ap)tulo H, reali$ados en animales cuyo tama&o del cuerpo y peso del cora$ón son comparables a los del cuerpo de una persona normal, re(elan %ue el 99,: de las personas saludables pueden tolerar una corriente a tra(és de la $ona del cora$ón definida por Dal$iel como
!00# donde B@ = @orriente áxima ; !"#. = @onstante !?,00J ó ?,0: para una persona de :? ó g. respecti(amente#. respecti(amente#. t = Duración de la @orriente !seg.#.
La norma recomienda el uso de = ?.0:, asumiendo un peso promedio de ? 6ilogramos y un tiempo máximo de eliminación de fallas de 3 segundos. En todo caso, pre(alece el *uicio del e(aluador para determinar el (alor correcto a utili$ar dependiendo de las caracter)sticas del sitio de ubicación de la subestación o el uso de dispositi(os de protección de alta (elocidad. "dicionalmente, "dicionalmente, las pruebas indican %ue el cora$ón re%uiere unos : minutos para retornar a su condición normal después de experimentar un c'o%ue se(ero. Esto indica %ue a%uellos sistemas de potencia con mecanismos de cierre automático tendrán un efecto acumulati(o sobre la operación inadecuada del cora$ón. e considera usualmente %ue para dos cierres consecuti(os, el tiempo a considerar será el e%ui(alente al de un c'o%ue eléctrico cuya duración sea la suma de los inter(alos de c'o%ue indi(iduales.
@onsiderando los (alores definidos por la ecuación :1 los (alores de (olta*e ATT y APT son
!01#!03#!0H#!0:# Donde t = Tiempo total de ocurrencia de falla, incluyendo efectos acumulati(os por recierres. Este tiempo debe ser menor a ?,: segundo, seg+n la 4orma de @.".D.".5.E, 4-P-3J? SEspecificaciones Técnicas para el istema de Puesta a Tierra/. = @onstante basada en el peso del cuerpo !?,00J ó ?,0:#. ;@ = ;esistencia t)pica del cuerpo en o'ms !0???#. ;T>1 = 0.: @ K =;esistencia de contacto de dos pies en paralelo. 1;T = J @K = ;esistencia de contacto de dos pies en serie. En los (alores de resistencia de contacto definidos arriba Ks es el (alor de resisti(idad del material superficial en la subestación. subestación. eg+n la 4orma de @.".D.".5.E, @.".D.".5.E, 4-P-3J? define Ks como el (alor de la piedra picada %ue se encuentra en la superficie de la subestación el cual es de 3??? F-m. @s es el factor de reducción %ue (ariara seg+n el
tipo de material de la superficie referida. En el estándar BEEE-O?, se presenta la ecuación detallada para definir los (alores de @s, la cual es
!0:# Donde ' = Profundidad de la capa superficial de la piedra picada. = 5actor de reflexión.
Donde K = ;esisti(idad del suelo, en F.m. !03# y !0H# permiten el cálculo de los (olta*es ATT y APT los cuales deben ser reali$ados dentro de la subestación y fuera de la misma.
I6. "ROTECCIÓN CONTR! 8!S SORETENSIONES DE ORI2EN !TOS9:RICO
Para determinar la protección más adecuada contra este tipo de sobretensiones es necesario tener un conocimiento de la se(eridad o de la frecuencia de los rayos y la info inform rmac ació iónn de la %ue %ue norm normal alme ment ntee se disp dispon onee es el corre corresp spon ondi dien ente te al ni(e ni(ell isoceráunico, %ue da el n+mero de d)as en el a&o en %ue se escuc'an tormentas, aun%ue no indi indica ca el n+me n+mero ro de desc descar arga gass ni la inte intens nsid idad ad de la desc descar arga ga para para cada cada d)a d)a tormentoso.
El ni(el isoceráunico es en general mas ba*o a medida %ue se acerca al polo y más alto en los trópicos< as) por e*emplo, en uecia es de alrededor de 0?, en Bnglaterra es del orden de 0:, en @anadá es inferior a 3?, En EE.22. (aria entre 0? y 9? y en Aene$uela es de aproximadamente J?.
En este art)culo solo se considerara la protección contra descargas atmosféricas en instalación de subestaciones. subestaciones.
'( Ca#)es de 2uarda
Para proteger la subestación contra las descargas directas de los rayos se utili$an 'ilos de guardia de la misma sección de los %ue se usan en las l)neas de transmisión cuando el ni(el isoceráunico es medianamente alto, o simples astas sobre los soportes cuando la probabilidad de rayos es muy reducida, aspecto este %ue puede bien ser tomado como norma en las subestaciones a muy altas tensiones con el ob*eto de reducir la altura de los soportes en $onas poco tormentosas.
Los 'ilos de guardia en las subestaciones deben instalarse a una altura adecuada para proteger efica$mente los conductores y e%uipos ba*o tensión. El ángulo efecti(o de protección es de H:C para un 'ilo de guardia y de J?C cuando se utili$a más de un cable de tierra.
Para determinar la altura m)nima de los 'ilos de tierra, a fin de asegurar una protección efica$ de los e%uipos, se utili$a el método ideado por Langre'r %ue supone %ue cuando el rayo se descarga 'acia tierra y se encuentra a una altura igual al doble de la del 'ilo de guardia, la descarga se efectuara sobre estos o el suelo, por ser estos los puntos mas cercanos al rayo.
La $ona de protección %ueda entonces determinada de la siguiente manera
ea ' la altura de los conductores o del e%uipo a protegerse. 1a el anc'o de la celda y U la altura m)nima de los 'ilos de guardia o de los mástiles o astas de protección.
e tiene %ue
!0J#
El (alor U representa la altura m)nima de los 'ilos de guardia para obtener una $ona de protección adecuada. adecuada.
@uando no se instalan en la subestación pararrayos ni cuernos de ar%ueo, debe adoptarse para el e%uipo un ni(el de aislamiento superior al correspondiente a plena aislación, para %ue este pueda resistir las ondas de impulso sin %ue sufra ning+n da&o o deterioro. Esta práctica muy poco usual se *ustifica en lugares de muy ba*o ni(el isoceráunico, menor de 0?, siempre y cuando las l)neas de transmisión presenten ba*a resistencia de toma de tierra. Por otra parte, en subestaciones %ue tienen permanentemente conectadas a las barras colectoras un numero ele(ado de l)neas de transmisión el efecto de la sobretensión disminuye apreciablemente debido a %ue encuentra (arios caminos para distribuirse, y la atenuación de la sobretensión será mas importante cuanto mayor es el n+mero de l)neas conectadas a las barras. "un%ue esta comprobado experimentalmente %ue las subestaciones a las cuales llegan 3 o H l)neas %uedan autoprotegidas contra las sobretensiones de origen atmosférico, no es recomendable utili$ar este recurso como +nico medio de protección a excepción de a%uellas instalaciones de tensiones no muy ele(adas, y en $onas donde las descargas eléctricas no son se(eras.
,( E;p)osores o cuernos de arco
La segunda medida de defensa contra la incidencia de los rayos consiste en instalar explosores del tipo asta-asta o cuernos de arco. Estos dispositi(os tienen bastante aceptación y campo de aplicación en regiones con moderados ni(eles isoceráunicos o en instal instalac acion iones es en las %ue no se *ustif *ustifica ica econó económic micame amente nte adopt adoptar ar otros otros medio medioss de protección más más completos y costosos. costosos.
El explosor o estallador de arco esta constituido por dos (arillas o electrodos metálicos, uno de ellos ba*o tensión y el otro conectado a tierra, manteniendo en el aire una distancia de separación adecuada para e(itar los reencendidos o cebados demasiado frecue frecuente ntess por sobre sobreten tensio sione ness intern internas as.. Los explo explosor sores es o cuerno cuernoss de arco arco como como dispositi(os de seguridad de las subestaciones presentan algunas des(enta*as entre las %ue se destacan las siguientes
La tensión de descarga no es definida sino errática o dispersa debido a %ue depende de la configuración de los electrodos !asta-asta, esfera-esfera, etc.#, de las condiciones climáticas !(ariaciones de la temperatura, de la presión atmosférica y 'umedad del ambiente#, grado de polución, etc.
@uando el explosor entra en arco, la corriente de fuga no se extingue naturalmente desa desarr rrol ollá lánd ndos osee un cort cortoc ocir ircu cuit itoo franc francoo de fase fasess a tier tierra ra,, debi debien endo do oper operar ar los los interruptores para despe*ar la falla, y sometiendo a estos, cuando son del tipo de pe%ue&o (olumen de aceite de cámara +nica de extinción, a ele(ados efectos por la aparición del defecto e(oluti(o.
2na disminución de la distancia de separación entre las (arillas del explosor puede dar lugar a frecuentes interrupciones del ser(icio por causa de obretensiones atmosféricas de larga duración, o por obretensiones obretensiones de origen interno suficientemente altas.
@uando @uan do el arco arco se desa desarro rroll llaa entre entre los los elec electr trod odos os,, la tens tensió iónn de impu impuls lsoo deca decaee bruscamente y somete a las espiras y bobinas de los transformadores de potencia a solicitaciones muy se(eras.
@uando se utili$an explosores para la protección de los transformadores de potencia, la practica mas corriente consiste consiste en instalarlos instalarlos sobre o cerca de ellos o entre los aisladores aisladores
pasatapas. La distancia distancia disrupti(a de esta clase de e%uipos se se calibra para una tensión tensión de descarga (ariable de entre el ? y el O? del ni(el de aislamiento del aparato a proteger. Por otra parte, si los transformadores se protegen con pararrayos y se utili$an además explosores como defensa secundaria o de reser(a, las distancias de a*uste deberán ser superiores para e(itar %ue los electrodos se ceben por sobretensiones de origen interno.
"un%ue los (alores de a*uste de las distancias de separación de los explosores (ar)an de acuerdo a las estipulaciones en los diferentes pa)ses y a las condiciones particulares de la inst instal alac ació ión, n, las las dist distan anci cias as com+ com+nm nmen ente te util utili$ i$ad adas as para para la prot protec ecci ción ón de los los transformadores de potencia y demás aparatos, en función de la tensión de ser(icio y del ni(el de aislamiento se indican en la siguiente tabla.
1( "rotección mediante Descargadores de So#retensión
La protec protecció ciónn mas mas comple completa ta y segura segura para para limita limitarr las obre obreten tensio siones nes de origen origen atmosférico a (alores no peligrosos para la aislación se obtiene con la instalación de pararrayos.
Estos e%uipos son de una utilidad casi uni(ersal en las instalaciones en altas y muy altas tensiones y ellos son especialmente empleados en
R En subestaciones donde los explosores entran en funcionamiento con demasiada frecuencia por ser instalaciones muy expuestas a las obretensiones obretensiones R Para la protección de los transformadores de potencia y bobinas de inductancia, especialmente cuando tienen un aislamiento reducido. R Para la protección del neutro de los transformadores de potencia cuando operan con el punto neutro aislado aislado y los arrollamientos arrollamientos tienen un aislamiento aislamiento gradual. R En instalaciones en extra altas tensiones para reducir el ni(el de aislamiento de los interruptores.
El pararrayo fi*a el ni(el de protección de la instalación %ue se define como la tensión máxima %ue aparece entre sus bornes de l)nea a tierra en las condiciones de ensayos con ondas de impulso especificadas y representati(as de las condiciones reales de ser(icio. El ni(el de protección a la onda de impulso determinado por el pararrayo %ueda caracteri$ado por el (alor mas ele(ado de las siguientes tensiones
R Tensión de cebado para la onda plena de impulso normali$ada R Tensión residual al poder de descarga nominal R Tensión de cebado para el frente de la onda de impulso di(idido por 0.1.
El cociente entre el ni(el resistente del aislamiento del material y el ni(el de protección define la relación de protección, cuyo (alor m)nimo es de 0.1?
Para reali$ar una instalación efecti(a de los e%uipos de los cuales se trata debe tenerse especial cuidado en dos aspectos %ue son esenciales para %ue los pararrayos funcionen de una manera efecti(a como lo son el 'ec'o de %ue las conexiones entre el punto de unión del pararrayos y tierra sean suficientemente cortas y se disponga de una ba*a resistencia de tierra, lo cual es fundamental en instalaciones de media tensión debido a %ue las ca)das de tensión originadas por efecto o'mico e inducti(o en las conexiones pueden alcan$ar (alores importantes en relación r elación a la tensión residual del pararrayos, y otro aspecto a tomar en cuenta es el 'ec'o de %ue la distancia entre el pararrayos y el e%uipo a proteger se mantenga dentro de un (alor adecuado debido a %ue cuando la onda de tensión penetra en la estación, su amplitud se reduce al descargarse a tierra a tra(és del pararrayos. En ese punto de discontinuidad se originan un par de ondas, una de las cuales se refle*a y la otra %ue se transmite al aparato también se refle*a al llegar a ese ese !al !al tran transf sfor orma mado dorr de pote potenc ncia ia por por e*em e*empl plo# o# prod produc ucié iénd ndos osee una una osci oscila laci ción ón estacionaria de alta frecuencia entre el pararrayos y el transformador.
Esta oscilación se amortigua muy rápidamente de manera %ue la solicitación de la tensión sobre la instalación tienen influencia solamente en los primeros periodos y es muy bre(e debido a %ue la frecuencia de la oscilación es directamente proporcional a la (elocidad de propagación de la onda e in(ersamente proporcional a la distancia de separación entre el pararrayos y el e%uipo a proteger, siendo f = (> Hl, donde
( = Aelocidad de propagación l = distancia del ob*eto a proteger. f = 5recuencia de oscilación de la onda de tensión. La amplitud de la oscilación propia %ueda determinada por la ecuación %ue sigue a continuación
!0#
donde
s = gradiente de la onda de tensión en 6A>Vs l = distancia protecti(a en mts. ( = (elocidad de propagación de la onda en mts > Vs.
La tensión máxima %ue pueda aparecer entre el pararrayos y el e%uipo a proteger no deberá ser superior al ni(el de la onda cortada de impulso del material, dado %ue, en caso contrario, se podr)a producir alg+n arco en la instalación antes de %ue la onda de tensión alcance nue(amente el (alor de la tensión residual.
La $ona protectora o alcance de protección del pararrayos %ueda entonces limitada a una distancia de separación relati(amente corta, de acuerdo a lo %ue se deduce de la ecuación correspondiente. correspondiente.
!0O#
de donde
!09#
donde
2a = Tensión resistente de la aislación en 6A max. 2res = Tensión residual del pararrayos en 6A max. ( = (elocidad de propagación de la onda en mts > Vs.
s = gradiente de la onda de tensión incidente en 6A>Vs. l = distancia máxima de protección del pararrayos.
Los (alores normalmente adoptados para el gradiente de la onda de tensión son
Bnstalaciones con 'ilo de guardia :?? 6A>Vs. Bnstalaciones sin 'ilo de guardia 0??? a 01?? 6A>Vs.
6. CONC8USIONES CONC8USIONE S
En este art)culo se 'a presentado un compendio elemental de sistemas de puesta a tierra y prot protec ecci ción ón cont contra ra sobr sobree tens tensio ione ness de orig origen en atmo atmosf sfér éric icoo en inst instal alac acio ione ness de subestaciones subestaciones eléctricas.
6I. RE9ERENCI!S
W0X D"7"LB8B, u6'ed6ar. Eart' ;esisti(ity easurements in a TQo Layer Eart' tructure. BEEE Paper @ H 099J. W1X @omisión Permanente del @ódigo Eléctrico 4acional, !0990#. @ódigo Eléctrico 4acional. Ae Aene$uela. @omité de Electricidad !@DELE@T;"# !@DELE@T;"# W3X BEEE Guide for afety in "@ ubstation Grounding , "4B>BEEE tandard O?, 09O3 WHX BEEE td O0 0993 Guide for easuring Eart' ;esisti(ity, Ground Bmpedance, and Eart' urface Potentials of a Ground ystem. W:X BEEE td 0H1-0990. Grounding of Bndustrial and @ommercial PoQer ystems. Green 8oo6 WJX BEEE td. 00?? I BEEE ;ecommended Practice for PoQering and Grounding ensiti(e Electronic E%uipment, BEEE Emerald 8oo6. WX "4;BY2E . !1??H#. odelo de mantenimiento @entrado en @onfiabilidad en los P" P"T de las Estac Estacion iones es de Digite Digitell @.". @.". Tesis de Post-G Post-Grad radoo no pub public licad ada, a, 2ni(er 2ni(ersid sidad ad 4acion 4acional al Experi Experime menta ntall Polité Politécn cnica ica de la 5uer$ 5uer$aa "rma "rmada da 4acion 4acional. al. aracay
WOX ";TZ4E[ . !1??0#. Dise&o de istemas de Puesta a Tierra. WDocumento en l)neaX. Disponible 'ttp>>prof.usb.(e>mmlo$ano !@onsulta 1??:, febrero H# W9X P;T" \. !0999#. Electrodos de Puesta a Tierra. Aalencia I Aene$uela Lig'tning Eliminators ] @onsultants de Aene$uela, @." W0?X P;T" \. !1??0#. Protección @ontra Descargas "tmosféricas. Aalencia I W00X Aene$uela Lig'tning Eliminators ] @onsultants de Aene$uela, @.". W01X ;E, A. !099#. Bnstalaciones de Puesta a Tierra. 8arcelona, Espa&a Ediciones arcombo .". W03X W03X T"GG G. !09JH# !09JH#.. Eart' Eart' ;esist ;esistanc ance. e. 4eQ or6 I 2..". 2..". Pitma Pitmann Publis Publis'in 'ingg @orporation.
6II. IO2R!9I!
5rancisco Gon$ale$-Longatt. btu(o el titulo de ingeniero electricista del Bnstituto 2ni( 2n i(er ersi sita tari rioo Poli Polité técn cnic icoo de la 5uer 5uer$a $a "rmad rmada, a, Aene$u ne$uel elaa !099 !099H# H#.. ast aster er en "dministración de Empresas de 2ni(ersidad 8icentenaria de "ragua, Aene$uela Aene$uela !0999#. Es profesor a dedicación exclusi(a, categor)a asistente, en pre-grado y postgrado, fue \efe \efe del del De Depa part rtam amen ento to de Bnge Bngeni nier er)a )a Eléc Eléctr tric icaa de la 2n 2ni( i(er ersi sida dadd Expe Experi rime ment ntal al Politécnica de la 5uer$a "rmada. "rmada.
Bn(estigo durante un a&o, sobre la ense&an$a de las ciencias técnicas en el Doctorado en @iencias de la Educación, de la 2ni(ersidad Pedagógica El Libertador. "ctualmente es @and @andid idat atoo a Do Doct ctor or en @ien @ienci cias as de la Bnge Bngeni nier er)a )a en la 2n 2ni( i(er ersi sida dadd @ent @entra rall de Aene$uela, traba*ando en el impacto de la generación distribuida en la estabilidad dinámica de sistemas de potencia. "utor de textos de ecuación superior, más de una decena de art)culos en re(istas y congresos a ni(el internacional. Es miembro del Bnstitute of Electrical Engineers !BEE#, y miembro de (arias sociedades entre ellas la PoQer Engineering ociety del BEEE.
9uente7 afinidadelectrica