SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Ing. Flavio Tito Fuentes INDICE I
Introducci\u00f3n
Pag.
2
II
Definiciones
Pag.
3
III
Resistividad de Suelos
Pag. 13
IV
Teor\u00eda y dise\u00f1o de un sistema de puesta a tierra Pag. 23
V
Esquemas de conexi\u00f3n a tierra
Pag
VI
Fen\u00f3menos el\u00e9ctricos transitorios
Pag. 51
VII
Ejemplo practico de dise\u00f1o de SPAT
Pag. 60
VII
Anexos
Pag. 64
IX
Bibliograf\u00eda
Pag. 83
40
Lima Agosto 2007
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Ing. Flavio Tito Fuentes INDICE I
Introducci\u00f3n
Pag.
2
II
Definiciones
Pag.
3
III
Resistividad de Suelos
Pag. 13
IV
Teor\u00eda y dise\u00f1o de un sistema de puesta a tierra Pag. 23
V
Esquemas de conexi\u00f3n a tierra
Pag
VI
Fen\u00f3menos el\u00e9ctricos transitorios
Pag. 51
VII
Ejemplo practico de dise\u00f1o de SPAT
Pag. 60
VII
Anexos
Pag. 64
IX
Bibliograf\u00eda
Pag. 83
40
Puno Agosto 2007
SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Ing. Electricista Flavio Tito Fuentes CIP 79605
I
INTRODUCCION.-
La tecnolog\u00eda electr\u00f3nica y la miniaturizaci\u00f3n de los circuitos en nuest un avance incontenible, son cada vez mas sofisticados los equipos y brindan mayores
prestaciones inteligentes a la sociedad, pero asimismo presentan tambi\u00e9n algun debilidades entre las cuales podemos contar con la sensibilidad a los cambios bruscos
de las condiciones de operaci\u00f3n, esto es a las fluctuaciones en la alimentaci\u00f3n
el\u00e9ctrica o a los fen\u00f3menos el\u00e9ctricos transitorios que se presentan o in
l\u00edneas f\u00edsicas a las cuales est\u00e1n conectadas estos circuitos, esta demo
fen\u00f3menos son muy perjudiciales para su funcionamiento, ya que paralelamente a
redes tradicionales de alimentaci\u00f3n coexisten en el espectro electromagn\u00e9ti electr\u00f3nicas, telefon\u00eda, data, etc., que se interrelacionan unas a otras.
Para evitar y atenuar la peligrosidad de estos fen\u00f3menos en la vida y funcionamien de los equipos se ha previsto la estabilidad, continuidad de funcionamiento y la
protecci\u00f3n de los mismos con dispositivos que eviten el ingreso de estos transitori los sistemas en fracciones de segundo (nanosegundos) y sean dispersados por una ruta previamente asignada como es la puesta a tierra, que es el primer dispositivo protector no solo de equipo delicado, sino tambi\u00e9n de la vida humana evitando desgracias o p\u00e9rdidas que lamentar.
La protecci\u00f3n el\u00e9ctrica y electr\u00f3nica tiene pues dos componentes fu
son indesligables uno de otro como: los equipos protectores (pararrayos, filtro
supresores, etc., etc.) y el sistema dispersor o Sistema de Puesta a Tierra, entendiéndose esta como el pozo infinito donde ingresan corrientes de falla o transitorios que no tienen retorno porque van a una masa neutra lo suficientemente grande como es el planeta tierra. El SPAT para entenderlo mejor debemos estudiarlo desde el inicio y será conociendo la resistividad de los suelos y las propiedades electromagnéticas de estos, que realizaremos un adecuado diseño del SPAT con un resultado eléctricamente aceptable de acuerdo a normas y exigencias de los equipos a protegerse sea en AT o BT.
II
DEFINICIONES
1. OBJETO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA El sistema de puesta a tierra se establece con objeto, principalmente, de limitar la tensión que con respecto a tierra puedan presentar en un momento dado las masas metálicas, asegurar la actuación de las protecciones y eliminar o disminuir el riesgo que supone una avería en el material utilizado. Ademas el sistema de puesta a tierra se usa para: ●
Obtener una resistencia eléctrica lo más baja posible para derivar a tierra corrientes de falla, Fenómenos Eléctricos Transitorios (FETs.), corrientes estáticas y parásitas; así como ruidos eléctricos y de radio frecuencia.
●
Mantener los potenciales producidos por las corrientes de falla dentro de los límites de seguridad de modo que las tensiones de paso o de toque no sean peligrosas para los humanos y/o animales.
●
Hacer que el equipamiento de protección sea más sensible y permita una rápida derivación de las fallas a tierra.
●
Proporcionar un camino de derivación a tierra de descargas atmosféricas, transitorios y de sobretensiones internas del sistema.
●
Ofrecer en todo momento y por un lapso prolongado baja resistencia eléctric que permita el paso de las corrientes derivadas.
●
2
Servir de continuidad de pantalla en los sistemas de corriente continua.
NORMAS
Para estudiar los Sistemas de Puesta a Tierra, se ha tomado como referencia las
siguientes normas y estándares tanto nacionales como internacionales que en este
tema casi siempre coinciden, casi todos los países coinciden en sus reglamentaciones en el aspecto de la puesta a tierra ANSI/IEEE Std 81 – 1983 IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System. CODIGO NACIONAL DE ELECTRICIDAD SUMINISTRO Sección 3 Métodos de puesta a tierra para instalaciones de suministro eléctrico y comunicaciones.
IEEE Std. 81 (1983) IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedanc and Earth Surface Potentials of a Ground System
IEEE Std. 141- (1986) IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution f Industrials Plants.
IEEE Std. 1100 (1999) - IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment.
Instrucción MIE BT – 008 Puesta a neutro de masas en redes de distribución de energía eléctrica (Reglamento España) Instrucción MIE BT – 039 Puesta a Tierra (Reglamento España) ITC MIE-RAT 09 Protecciones (Reglamento España) ITC MIE-RAT 13 Instalaciones de Puesta a Tierra (Reglamento España) National Fire Association Protection con el estándar NF PA 780. National Electric Code, Article 250 Grounding. NFC 17 102 Reglamento francés de Pararrayos Norma CEI 1024 – 1 : 1990 Norma CEI 1024 – 1 –1 1993 Norma UNE 21 185: 1995 UNE 21 186 Reglamento español de Pararrayos
3. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA. DEFINICIÓN La denominación sistemas de puesta a tierra SPATs comprende toda la ligazón metálica directa sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre determinados elementos o partes de una instalación y un electrodo, o grupo de electrodos, enterrados en el suelo, con objeto de conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios y superficie próxima del terreno no existan diferencias de potencial peligrosas y que, al mismo tiempo, permita el paso a tierra de las corrientes de falta o la de descarga de origen atmosférico.
4
DEFINICIONES DE TERMINOS
4.1.- PUESTA A TIERRA.- Electrodo preferentemente de Cu., en contacto eléctrico
directo con tierra, concebido y utilizado para dispersar corrientes eléctricas de falla po el terreno. 4.2. - CONDUCTOR DE TIERRA.- Conductor o conjunto de conductores, que enlazan la puesta a tierra al colector de tierra; esta definición es válida únicamente para los tramos aislados eléctricamente del terreno, mientras que los tramos en contacto con el terreno son parte de la puesta a tierra. 4.3.-
COLECTOR DE TIERRA.- Conductor en forma de barra o de anillo, al que
están conectados, de un lado, el conductor o conductores de tierra, y del otro lado, el o los sistemas de distribución de tierra. 4.4.-
SISTEMAS DE DISTRIBUCION DE TIERRA.- Conductor o conjunto de
conductores que enlazan al colector de tierra las distintas partes que han de ponerse a tierra. 4.5.-
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA (SPAT). Conjunto general de tierra, formado
por la puesta a tierra, el o los conductores de tierra, el colector de tierra, y el o los sistemas de distribución de tierra. (Ver Fig. Nº 1). 4.6.-
TIERRA DE SERVICIO O NEUTRO.- Instalación de tierra, utilizada para el
funcionamiento de los circuitos con aterramiento del neutro, siendo parte de esta y en algunos casos comportandose como líneas activas. 4.7.-
TIERRA DE PROTECCION.- Instalaciones de tierra, empleadas para limitar y
eliminar las corrientes de falla. 4.8.-
PONER A TIERRA.- Conectar un equipo determinado, a una instalación de
tierra. 4.9.-
TENSION DE CONTACTO.- Tensión a la que puede estar sometido el cuerpo
humano, como consecuencia del contacto con partes metálicas accesibles que por regla general, no deben estar bajo tensión, pero que por defectos de aislamiento o por otras causas, podrían encontrarse bajo tensión. 4.10.- EQUIPOTENCIALES.- Conexión de todas las partes metálicas susceptibles de ponerse en contacto con la corriente, por medio de un conductor de sección apropiada, cuyo fin es el de eliminar las diferencias de potencial entre las estructuras metálicas, en los casos en los que estas diferencias puedan constituir un peligro para el personal y para los equipos.
1.- PUESTA A TIERRA 2.- CONDUCTOR DE TIERRA 3.- COLECTOR DE TIERRA 4.- SISTEMA DE DISTRIBUCION DE TIERRA 5.- EQUIPAMIENTO QUE DEBE PONERSE A TIERRA
5 5
5
5
5
4 5
4
2
3 FIGURA 1
5
4
4
5.
5
3
1
PROHIBICIÓN DE INCLUIR EN SERIE LAS MASAS Y LOS ELEMENTOS
METÁLICOS EN EL CIRCUITO DE TIERRA Los circuitos de puesta a tierra formarán una línea eléctricamente continua en la que no podrán incluirse en serie ni masas ni elementos metálicos cualquiera que sean éstos. Siempre la conexión de las masas y los elementos metálicos al circuito de puesta a tierra, se efectuará por derivaciones desde éste.
6.
ELECTRODOS.
NATURALEZA,
CONSTITUCIÓN,
DlMENSIONES
Y
CONDICIONES DE INSTALACIÓN 6.1 Naturaleza de los electrodos Los electrodos pueden ser artificiales o naturales. Se entiende por electrodos artificiales los establecidos con el exclusivo objeto de obtener el sistema de puesta a tierra, y por electrodos naturales las masas metálicas que puedan existir enterradas. Para las sistemas de puesta a tierra se emplearán principalmente electrodos artificiales. No obstante, los electrodos naturales que existieran en la zona de una instalación y que presenten y aseguren un buen contacto permanente con el terreno, deben conectarse para equipotencializar el sistema. 6.2 Constitución de los electrodos artificiales Los electrodos podrán estar constituidos por:
— Electrodos simples constituidos por barras, tubos, placas, cables, pletinas u otro perfiles.
— Anillos o mallas metálicas constituidos por elementos indicados anteriormente o p combinaciones de ellos.
Los electrodos serán de metales inalterables a la humedad y a la acción química d terreno, tal como el cobre y el fierro galvanizado. 6.2.1 Placas enterradas
Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2 mm y las de fierro galvanizad
de 2,5 mm. En ningún caso la superficie útil de la placa será inferior a 0,5 m2. S colocarán en el terreno en posición vertical. 6.2.2 Barras verticales Las barras verticales podrán estar constituidas por: — tubos de acero galvanizado de 25 mm de diámetro exterior, como mínimo, — barras de cobre o de acero de 14 mm de diámetro como mínimo; las barras de acero tienen que estar recubiertas de una capa protectora exterior de cobre de espesor apropiado. Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son necesarias dos barras conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia de tierra admisible, la separación entre ellas es recomendable que sea igual, por lo menos, a 4 veces la longitud enterrada de las mismas. 6.2.3 Conductores enterrados horizontalmente Estos conductores pueden ser: — conductores o cables de cobre desnudo de 50 mm2 de sección, como mínimo, — pletinas de cobre de, como mínimo con 50 mm2 de sección y 2 mm de espesor,
— pletinas de acero galvanizado de, como mínimo, 100 mm2 de sección y 3 mm de espesor,
— cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección, como mínimo. El empleo de cables formados por alambres menores de 2,5 mm de diámetro está prohibido,
— alambres de acero de, como mínimo, 20 mm2 de sección, cubiertos con una cap de cobre de 6 mm2 como mínimo.
Los electrodos deberán estar enterrados a una profundidad que impida sean afectad por las labores del terreno y por las heladas y nunca a menos de 50 cm. El terreno será tan húmedo como sea posible y preferentemente tierra vegetal, prohibiéndose constituir los electrodos por piezas metálicas simplemente sumergidas en agua. Se tenderán a suficiente distancia de los depósitos o infiltraciones que puedan atacarlos, y si es posible, fuera de los pasos de personas y vehículos.
Para la puesta a tierra de apoyos de líneas aéreas y columnas de alumbrado público, cuando lo necesiten, será suficiente electrodos que tengan en conjunto una superficie de contacto con el terreno de 0,25 m2.
Como superficie de contacto con el terreno, para las placas se consideran las dos caras, mientras que para los tubos sólo cuenta la superficie externa de los mismos. 6.3 Constitución de los electrodos naturales Los electrodos naturales pueden estar constituidos por: a) Una red extensa de conducciones metálicas enterradas, siempre que la continuidad en estas conducciones quede perfectamente asegurada y en el caso de que las conducciones pertenezcan a una distribución publica o privada, haya acuerdo con los
distribuidores correspondientes. Se prohíbe utilizar como electrodos las canalizacione de gas, de calefacción central y las conducciones de desagüe, humos o basuras. b) La cubierta de plomo de los cables de una red eléctrica de baja tensión enterrada, con la condición de que la continuidad de la cubierta de plomo esté perfectamente asegurada y, en el caso de que la red pertenezca a una distribución p ública, haya acuerdo con el distribuidor.
c) Los pilares metálicos de los edificios, si están interconectados, mediante una estructura metálica, y enterrados a cierta profundidad. El revestimiento eventual de hormigón no se opone a la utilización de los pilares metálicos como tomas de tierra y no modifica sensiblemente el valor de su resistencia de tierra.
7. RESISTENCIA DE TIERRA El electrodo se dimensionará de forma que su resistencia de tierra, en cualquier circunstancia previsible, no sea superior al valor especificado para ella, en cada caso. Este valor de resistencia de tierra será tal que cualquier masa no pueda dar lugar a tensiones de contacto superiores a: 25 V en local o emplazamiento húmedo 50 V en los demás casos. Si las condiciones de la instalación son tales que puedan dar lugar a tensiones de contacto superiores a los valores señalados anteriormente, se asegurará la rápida eliminación de la falta mediante dispositivos de corte adecuados de la corriente de servicio.
7.1 RESISTENCIA ELECTRICA RECOMENDABLE: La resistencia eléctrica que a continuación se detalla para cada tipo de servicio, es a titulo orientativo y comúnmente empleada como mínimo y máximo; y ella podrá variar, de acuerdo con las características técnicas de tolerancia de cada equipo Pararayos contra descargas directas de rayos: a)
Pararrayos de cebado PDC y Franklin
l0 Ω
Pararrayos de linea autavalvulares: a)
Media tensión
b)
Alta tensión
10 Ω 10 Ω
Proteccion electrica contra, transitorios:a) equipo electrónico 5 Ω Uso general: (a)
Tableros de baja tension:
(b)
Servicio eléctrico
(c)
Equipo de control
(d)
Mallas industriales
Sub-estaciones de transformacion a)
Malla integral del patio
25 Ω 5Ω 5Ω 1 a 5Ω
NOTA. ---La resistencia de tierra de un electrodo depende de sus dimensiones, de su
forma y de la resistividad del terreno en el que se establece. Esta resistividad var frecuentemente de un punto a otro del terreno, y varia también con la profundidad. La Tabla I da, a titulo de orientación, unos valores de la resistividad para un cierto número de terrenos. Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores indicados en la Tabla I. Bien entendido que los cálculos efectuados a partir de estos valores no dan más que un valor muy aproximado de la resistencia de tierra del electrodo. La medida de resistencia de tierra de este electrodo puede permitir, aplicando las fórmulas dadas en la Tabla ll estimar el valor medio local de la resistividad del terreno, el conocimiento de este valor puede ser útil para trabajos posteriores efectuados, en unas condiciones análogas.
Tabla I NATURALEZA DEL TERRENO Resistividad en Ω - m Terrenos Pantanosos De algunas unidades a 30 Limo 20 a 100 Humus 10 a 150 Turba Húmeda 5 a 100 50 Arcilla Plástica Marga y Arcillas Compactas 100 a 200 Margas del jurásico 30 a 40 Arena Arcillosa 50 a 500 200 a 3000 Arena Silícea Suelo Pedregoso Cubierto de Césped 300 a 500 Suelo Pedregoso Desnudo 1,500 a 3,000 Calizas Blandas 100 a 300 Calizas Compactas 1,000 a 5,000 500 a 1,000 Calizas Agrietadas 50 a 300 Pizarras 500 Roca de Mica o Cuarzo 1,500 a 10,000 Granito y Gres procedentes de Alteraciones 5,000 a 15,000 Roca Ígnea
Electrodo Placa enterrada Barra vertical
TABLA II Resistencia de Tierra en Ohm R = 0.8ρ/p R = ρ/L
Conductor enterrado horizontalmente R = 2ρ/L
ρ = resistividad en ohm-m p = perímetro de la placa en m L = longitud de la barra o del conductor en m
8. CARACTERÍSTICAS Y CONDICIONES DE INSTALACIÓN DE LAS LÍNEAS DE ENLACE CON TIERRA, DE LAS LÍNEAS PRINCIPALES DE TIERRA Y DE SUS DERIVACIONES 8.1 Naturaleza y secciones mínimas Los conductores que constituyen las líneas de enlace con tierra, las líneas principales de tierra y sus derivaciones serán de cobre o de otro metal de alto punto de fusión y su sección debe ser ampliamente dimensionada de tal forma que cumpla las condiciones siguientes: a) La máxima corriente de falta que pueda producirse en cualquier punto de la instalación, no debe originar en el conductor una temperatura cercana a la de fusión ni poner en peligro los empalmes o conexiones en el tiempo máximo previsible de
duración de la falta, el cual sólo podrá ser considerado como menor de dos segundo
en los casos justificados por las características de los dispositivos de corte utilizados b) De cualquier forma, los conductores no podrán ser, en ningún caso, de menos de 16 mm2 de sección para las líneas principales de tierra ni de 35 mm2 para las líneas de enlace con tierra, si son de cobre. Para otros metales o combinaciones de ellos, la sección mínima será aquella que tenga la misma conductancia que un cable de cobre de 16 mm2 ó 35 mm2, según el caso. 8.2 Tendido de los conductores de la línea de enlace con tierra
Los conductores de enlace con tierra desnudos enterrados en el suelo se considera que forman parte del electrodo. 8.3 Tendido de los conductores de la línea principal de tierra, y sus derivaciones
y de los conductores de protección
El recorrido de estos conductores será lo más corto posible y sin cambios bruscos de
dirección. No estarán sometidos a esfuerzos mecánicos y estarán protegidos contra l corrosión y desgaste mecánico. 8.4 Conexiones de los conductores de los circuitos de tierra con las partes
metálicas y masas y con los electrodos Los conductores de los circuitos de tierra tendrán un buen contacto eléctrico tanto con las partes metálicas y masas que se desean poner a tierra como con el electrodo. A estos efectos se dispone que las conexiones de los conductores de los circuitos de tierra con las partes metálicas y con los electrodos se efectúen con todo cuidado por medio de piezas de empalme adecuadas asegurando las superficies de contacto de forma que la conexión sea efectiva, por medio de tornillos, elementos de compresión, remaches o soldadura de alto punto de fusión.
Se prohíbe el empleo de soldaduras de bajo punto de fusión, tales como estaño, plata etc. Los contactos deben disponerse limpios, sin humedad y en forma tal que no sea fácil que la acción del tiempo destruya por efectos electroquímicos las conexiones efectuadas. A este fin, y procurando siempre que la resistencia de los contactos no sea elevada, se protegerán éstos en forma adecuada con envolventes o pastas, si ello se estimase conveniente. 8.5 Prohibición de interrumpir los circuitos de tierra
Se prohíbe intercalar en circuitos de tierra seccionadores, fusibles o interruptores. S
se permite disponer un dispositivo de corte en los puntos de puesta a tierra, de form
que permita medir la resistencia de la toma de tierra. 9. REVISIÓN DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Por la importancia que ofrece, desde el punto de vista de la seguridad, cualquier
instalación de sistema de puesta a tierra, deberá ser obligatoriamente comprobada por un profesional competente en el momento de dar de alta la instalación para el funcionamiento. Personal, técnicamente competente, efectuará esta comprobación anualmente en la época en que el terreno esté más seco. Para ello, se medirá la resistencia de tierra, reparando inmediatamente los defectos que se encuentren. En los lugares en que el terreno no sea favorable a la buena conservación de los electrodos, éstos, así como también los conductores de enlace entre ellos hasta el punto de puesta a tierra, se pondrán al descubierto para su examen, al menos una vez cada cinco años.
III
RESS I TIVIDAD DE SUELOS
Para trabajar con propiedad es necesario conocer la Resistividad del Suelo en la localización donde se proyecta instalar un Sistema de Puesta a Tierra (SPAT), por lo que, si la situación lo amerita es necesario realizar un Estudio de Resistividad de
Suelos, no olvidemos mencionar que la resistividad del suelo se obtiene ciertamente solamente por medidas.
1 1.1
DEFINICIONES.Resistividad.- Ernesto Orellana (1982) dice “Se sabe por física elemental que
la resistencia R de un conductor alargado y homogéneo de forma cilíndrica vale: R= ρ*l/s donde l es la arista o generatriz del conducto y s su sección. La magnitud ρ (rho) es un coeficiente que depende de la naturaleza y estado físico del cuerpo considerado y que recibe el nombre de resistividad. Sus dimensiones, según se deduce de la formula anterior.... sera ohmio x metro ρ x m, que luego se expresa mejor en ohm-m”
1.2
Resistividad de Suelos.- La resistividad de un medio heterogéneo como son
todos los suelos estará influenciado por la presencia de poros rellenos de electrolitos; por lo que podemos decir que los suelos se consideran como medios de matriz aislante, en los que existe una red de conductos irregulares y tortuosos llenos de electrolito a los cuales se debe la conductividad del conjunto, por lo que podemos definir a la resistividad de los suelos como: La facilidad u oposición natural que presentan los terrenos al paso de la corriente eléctrica y depende de varios factores para que un terreno posea mayor o menor resistividad, en los textos a veces se entiende mejor los conceptos cuando hablamos de la conductividad, que es el inverso de la resistividad y se expresa en siemens-metro σ-m.
1.3
Clases de conductividad.- Los cuerpos eléctricamente conductores lo son
porque permiten el paso a través de portadores de cargas eléctricas. Estos portadores pueden ser electrones o iones, por lo que pueden distinguirse dos tipos de conductividad: electrónica e iónica.
Metales Electrónica { Semiconductores Conductividad { Electrolitos sólidos Iónica
{
(dieléctricos) Electrolitos líquidos
1.4
Factores que influyen en la resistividad de los suelos: Tipo de suelo
Composición química, presencia de electrolitos.
Terreno
Formación de los suelos: peso, gravedad, etc.
Porosidad
Inclusiones
esféricas
vacías
o
llenas
de
humedad/aire.
Humedad
Existencia de agua en los poros
Temperatura
Condiciones naturales extremas que influyen en la resistividad
1.5
Influencia de la Humedad.- La conductividad de la mayor parte de los suelos
existente en la superficie terrestre no se debe a la presencia de minerales, ni a la presencia de inclusiones metálicas, sino a la existencia de poros y fisuras rellenas total o parcialmente de electrolitos, que reaccionan de alguna manera con al agua o humedad; el agua contenida en los poros adopta dos formas fundamentales: la conducción superficial y la ionización de los minerales de la arcilla. La conducción superficial tiene su origen en que la capa superficial de los minerales que forman la pared interior de los poros esta en muchos casos cargada eléctricamente. Esto se debe a que los átomos más próximos a la superficie límite o pared del poro, suele tener, por la estructura cristalina del mineral, iones del mismo signo, generalmente negativo (oxigeno). Esta carga atrae cationes del electrolito contenido en los poros, e incluso moléculas de agua, formando así una capa de agua cuya resistividad es baja.
Los fenómenos debido a la presencia de granos de arcilla donde los minerales de l
arcilla
han absorbido cationes en una capa fija originando una conductividad
apreciable tiene consecuencias: la primera consecuencia de estos fenómenos es que el agua contenida en los poros de los suelos experimenta un aumento en su conductividad por lo que la resistividad de estas aguas no suele ser mayor a 10 Ω-m. siendo este efecto mayor cuanto mayor sea la presencia de arcilla en los suelos. Cuando se trata de electrolitos diluidos (agua dulce) predomina la conductividad adicional debida a la hidrólisis parcial de los minerales de la arcilla, conductividad que será mayor cuanto menor sea el grano, en razón del aumento correlativo de superficie. De este modo se explica el conocido hecho de que en sedimentos que contienen agua dulce, la resistividad crezca en el orden arcillas-limos-arenas-gravas, mientras que si el agua es salada, el orden de resistividades será el opuesto. Índice de humedad % de peso Resistividad Ω-m.suelos arenosos 0.0
5000
2.5
1500
5.0
430
10.0
185
15.0
105
20.0
63
30.0
42
Fig. 2 Por otro lado existe la paradoja de los suelos, según la cual, los suelos de regiones de clima seco o desértico, pueden tener menor resistividad que los de zonas de clima muy húmedo, en contra de lo que cabría esperar de la disminución de la resistividad por el contenido de agua. La razón de este fenómeno es la siguiente: en zonas de clima muy seco, es frecuente la ascensión de agua hacia la superficie, a través de poros y capilares, con ulterior evaporación y consiguiente aumento del contenido iónico de las capas superficiales. En las regiones húmedas, por el contrario, la intensa circulación de agua a las capas superficiales disuelve y arrastra los iones, con lo que tales capas quedan muy empobrecidas en ellos. De ahí la mucho menor conductividad en el segundo caso respecto del primero.
1.6 Medición de la resistividad.- Hemos dicho que la resistividad de los suelos se puede saber certeramente solamente por medidas, por lo tanto debemos emplear lo métodos existentes para proceder con un Estudio de Resistividad de Suelos. Método de Wenner.- Método tetraelectródico, con toma de series de datos de acuerdo con formato preestablecido, dando como resultado La Resistividad Aparente según el siguiente gráfico:
A
B
a
C
a
D
a
Fig. 3 Dispositivo lineal y simétrico
El desarrollo teórico de las relaciones la acción de la corriente eléctrica en suelos d como resultado la siguiente formula: donde
ρ =2πaR ρ = Resistividad en Ω-m a = Longitud simétrica R = Resistencia registrada en campo
En esta fórmula indicamos que las variables serán la longitud a, y la resistenci eléctrica R registrada en campo Los datos de la Resistencia tomada en Campo se vierten a la Hoja de Datos por el Método Wenner, que llevados a un plano de coordenadas logarítmicas nos ofrece una Curva de Resistividad Aparente, cuya interpretación se muestra mas abajo.
HOJA DE DATOS DE RESISTIVIDAD POR EL METODO DE WENNER EDELNOR TERRENO SET CHILLON 220/60 kV
Nº PRUEBA 1 2 3 4
B ESPACIAMIENTO a 1.00 2.00 3.00 4.00
C D RESISTENCIA RESISTIVIDAD ρ =2 PI*a*R R 58.60 368.19 11.66 146.52 6.35 119.69 5.60 140.74
Fig. 4
Método de Schlumberger.- Método de cuatro electrodos también, con toma de datos en forma Logarítmica de acuerdo con formato preestablecido, dando como resultado La Resistividad Aparente según el siguiente gráfico:
A
M
N
B
o
a L Fig. 5 Dispositivo lineal y simétrico
El desarrollo teórico de las relaciones la acción de la corriente eléctrica en suelos d como resultado la siguiente formula:
ρ = πL2 R/a donde
ρ = Resistividad en Ω-m L = Longitud OA =OB R = Resistencia registrada en campo a = Distancia MN = 1 m.
En esta fórmula indicamos que las variables serán la longitud L, y la resistencia eléctrica R registrada en campo; la distancia MN = 1 permanece constante para efectos del presente Estudio
HOJA DE DATOS DE RESISTIVIDAD POR EL METODO DE SCHLUMBERGER
EDELNOR S.E ANGELICA GAMARRA Turbina A ESPACIAMIENTO OA 2,00 2,50 3,16 4,00 5,00 6,30 8,00 10,00 12,50 16,00 20,00 25,00 31,60
B ESPACIAMIENTO MN 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
C
RESISTENCIA
R
8,92 7,07 4,71 3,46 2,50 1,70 1,15 0,82 0,60 0,40 0,28 0,19 0,12
ρ RESISTIVIDAD
= PI*L^2*R/a 112,09 138,82 147,76 173,92 196,35 211,97 231,22 257,61 294,52 321,70 351,86 373,06 376,45
RESULTADOS PARCIALES DE ACUERDO AL AJUSTE DE LAS CURVAS PATRON Y LAS CURVAS OBTENIDAS DE LOS DATOS DE CAMPO TENEMOS LAS SIGUIENTES CONCLUSIONES:
ρ2/ρ1 = ρ3/ρ2 = ρ1 = ρ2 = ρ3 = E1 E2
= =
3,00 CURVA DE AJUSTE 1,50 CURVA DE AJUSTE 110,00 Resistividad de la primera capa en ohmios-m 330,00 Resistividad de la segunda capa en ohmios-m 495,00 Resistividad de la tercera capa en ohmios-m 0,60 Espesor de la primera capa en m. 4,00 Espesor de la segunda capa en m.
Fig. 6
Curvas Patrón de Resistividad
19
(Método de Schlumberger)
9
10
5.67 4 3 2.33 1.86 1.5
is x A Y
1.22
1
0.82 0.67 0.54 0.43 0.33 0.25
0.1 0.1
1
X-Axis Elaborado por: Para-R ayos S.R.L.
Fig. 7
10
0.18 0.11 0.05
1.7.3 Características gráficas de algunos tipos de suelos. Suelo homogéneo; característica ligeramente ondulante, tendencia horizontal.
ρa = ρ ρa : Resistividad Aparente ρ : Resistividad Real
a
a
Distancia-profundidad
Fig. 8
Suelo de dos capas: Características con un punto de inflexión, tendencia asimétrica e las extremidades.
ρ1: Resistividad Capa Superficial
ρ2: Resistividad Capa Subyacente
ρa: Es grande a
2
PI 2
>
1
1
Distancia - profundidad
(Figura 9)
ρa: Es pequeña (Figura 10) a
1
PI
2
1
2
Distancia - profundidad
Fig. 10
Suelo de tres capas: Características con dos puntos de inflexión, tendencia asimétri a variados niveles de resistividad en las extremidades.
ρa: Ascendente (Figura 11). a
3
PI 2
PI
Distancia - profundidad
1
Fig. 11
ρa: Descendente (Figura 12). a
1
PI 3
PI
Distancia-profundidad
Fig. 12
1.7.4 Determinación de Resistividades y Espesores de capa La determinación se hace mediante la familia de curvas Patrón, para los métodos Wenner o Schlumberger que son los más usuales, en nuestra practica preferimos el segundo método por ser mas practico y dar resultados más coherentes de la resistividad de los diferentes estratos del suelo y sus profundidades. Se compara superponiendo en idéntica escala gráfica, la característica de los puntos obtenidos en un juego de medidas sobre el terreno, manteniendo el paralelismo de los ejes hasta lograr la mayor coincidencia; si ésta fuera sólo parcial, el terreno tendrá más de dos capas. Marcar el centro “origen” del patrón (Fig. 7) en el gráfico del terreno y a partir de él, leer en ordenadas la resistividad ρ1, y abscisas el espesor de la misma e1; para el estrato subyacente. Leer al final de la curva coincidente del patrón, el valor de K que relaciona ρ2 y ρ1.
IV
TEORÍA Y DISEÑO DE UNA PUESTA A TIERRA
1
Electrodos verticales o barras a. A nivel del suelo
R=
ρ
2Π ℓ
ℓn
4ℓ 1.36d
(Ω )
D l
Dd
D l
>>Id
Fig. 13 b. Enterrado a profundidad h. Dh
2h > D
R=
ρ
2Π ℓ
ℓ n[
4ℓ
1.36d
×
2 h +ℓ 4h + ℓ
](Ω )
Fig. 14
c. Dispuestas en línea Recta.
l
Dl
-
dos barras 1+ α
R 2 = R1 [
2
](Ω )
2
1
aa
Fig. 15 -
Tres barras 2
1 + α +α R 3 = R1 [ ](Ω ) 6 − 7α 1
3
2 aa
Fig. 16 -
Cuatro barras 3
12 + 16α − 23α R 4 = R1 [ ](Ω ) − 48 40 1
3
2
4
aa
Fig. 17 Donde: R1: Resistencia de una barra (Ohm)
α : Coeficiente de Reducción. A : Distancia entre barras (m) r : Radio semiesférico equivalente (m)
α =
2
r n
,
donde r =
ℓ ℓ nx(4ℓ / d )
Electrodos Horizontales o Contrapesos a. Al nivel del suelo
R = 0.732
ρ
L
Log
2L
d
(Ω )
Fig. 18
b. Enterrado a profundidad h.
R=
ρ
2Π L
ℓn
2
L
1.85hd
(Ω )
c. Dos contrapesos a profundidad h. -
Disposición Paralela.
R =
ρ
2Π L
ℓn
L
4
/ 16
3.42h d a A
(Ω )
Donde: A =
-
2
+
4h
2
Disposición Perpendicular.
R=
-
a
ρ
2Π
L
ℓn
2
L
1.27hd
(Ω )
Disposición en Oposición.
R =
ρ
2Π L
ℓn
L
2
1.55hd
(Ω )
L/2 Ld L/2
Fig. 19 d. Tres contrapesos a Profundidad h.
L/2
L
o
120
L/3
R=
ρ
2Π
L
ℓn
2
L
0.767hd
(Ω )
Fig. 20 e.
Malla a profundidad h.
R=
ρ
2D
+
ℓ
L
(Ω )
M
D’
D
Fig. 21 Donde:
d
D = d’ L : Longitud Total. R = (P / L) + 0.443 (P / √ D.D’ ) (Ω)
3
Electrodos compuestos, métodos de SCHWARTZ a. Red mallada y barras -
Reticulado.
R1
-
=
L
hd
+
k1 L S
−
k2 ](Ω )
=
ρ
Π
L
[ℓ n
4 + 2ℓ
−1+
a
2k1 ℓ
S
( N
− 1)
Resistencia mutua.
R12
-
Π
2L
[ℓ n
Barras
R2
-
ρ
=
R21
=
R1
−
ρ
Π
L
[ℓ n
Resistencia Combinada.
RT
=
R1 R2 R1
−
−
R2
R12 2
−
2R12
(Ω )
ℓ
hd
− 1](Ω
)
2
](Ω )
Donde:
ρ : Resistividad aparente del suelo, (Ω - m). L : Longitud de desarrollo del reticulado (m). H : Profundidad de enterramiento (m). S : Superficie Cubierta por la malla (m2). N : Número de barras l : Longitud de cada barra (m). a : Radio de las barras (m). d : Diámetro del Contrapeso (m).
K1
= 1.43 − (2.3
K2
= 5.50 − (
8h
S
h S
) − 0.044( A / B)
) − (0.15 −
h S
)( A / B)
A: Lado mayor o Longitud de la malla (m). B: Lado menor o ancho de la malla (m). Para un área cuadrada. k1 = 1.4 k2 = 5.6 Para conocimiento y consideración en el momento de diseñar un sistema de puesta a tierra para uso en baja tensión o de subestaciones eléctricas incluimos las formulas y gráficos correspondientes a las tensiones de paso y toque en sistemas eléctricos.
4
TENSION DE PASO
RT
RP
RP
RT
IK R1
R2
IF
R3
IK =
0.116 t
R K= 2 R IF
P
R T= 3 P C G=
EP
E=
P IF 2
2
d
P IF 2
d
CARACTERISTICAS RP
DEL GRADIENTE
RP
RT
RT
PC
L
P R1
R2
R3
Fig. 22
EP = ( RK + 2RT )IK EP = ( 1000 + 6 ρ C ) (0.116 / √ t ) Donde: EP: Tensión de Paso (V). RK: Resistencia del Cuerpo (Ω). RT: Resistencia de Contacto, (Ω). IF: Corriente de Falla (A) t: duración de la Falla (s) E: Potencia Remoto (V) G: Gradiente (V/m)
ρC: Resistividad del suelo Superficial ≈1000 (ρ - m).
5
TENSION DE TOQUE
RT RO
Rr
IK
RT
R1
R1
IF
ET
IK =
R2
0.116 t
R O= 0 IF
R T= 3 PC G=
E=
P IT 2
2
d
P IF 2
d
RO CARACTERISTICAS
RK
DEL GRADIENTE
RT
PS
GRAVA
L d
P R1
R2
Fig. 23
ET = ( RO + RK + RK /2 )IK ET = ( 1000 + 1.5 ρ S ) (0.116 / √ t ) Donde: ET : Tensión de Toque (V). RO : Resistencia de Contacto Mano (Ω). RK : Resistencia del Cuerpo (Ω). RT : Resistencia de Contacto PIE (Ω). IF : corriente de Falla (A).
ρS : Resistividad del Suelo Superficial (Ω - m). t
: Duración de la Falla (s)
E : Potencia Remoto (V). G : Gradiente (V/m)
6
MÉTODOS PARA LA REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA
Existen distintos métodos para lograr la reducción de la resistencia eléctrica, aun que todos ellos presentan un punto de saturación que es conveniente conocer para evitar diseños antieconómicos. Los métodos para la reducción son los siguientes: ●
El aumento del número de electrodos.
●
El aumento de la distancia entre ejes de los electrodos.
●
El aumento de la longitud de los electrodos.
●
El aumento del diámetro de los electrodos.
●
El cambio del terreno existente por otro de menor resistividad.
●
El tratamiento químico electrolítico del terreno.
●
La construcción de mallas con zanjas de interconexión con cambio de tierra y tratamiento químico para aprovechar las propiedades de los contrapesos con cables desnudos de
6.1
adecuado calibre.
El Aumento del Número de Electrodos
La acción de aumentar el número de electrodos conectados en paralelo disminuye el valor de la "Resistencia Equivalente", pero esta reducción no es lineal puesto que la curva de reducción tiene tendencia asintótica a partir los 5 Ω, además, existe el fenómeno de la resistencia recíproca entre los electrodos y entre estos y los contrapesos.
Supongamos un medio ideal en el que la resistividad de un terreno homogéneo es d 600 Ω-m e instalamos un electrodo de 2 m. aplicaremos la fórmula:
R =
(
ρ
2Π ℓ
)ℓ
n
2ℓ /
r
donde : ℓ(n2ℓ / r ) /2 π ℓ se considera = K; operando la fracción vale 0,49454 por lo tanto R = 600 x 0,49454 ≈ 300 Ω.
Según la ecuación de sumatoria de resistencias en paralelo, al aumentar un electrod
(el segundo) obtendríamos aproximadamente 150 Ω al aumentar un tercero 100 y para llegar a 5 Ω tendríamos que instalar 60 electrodos tal como se muestra en la Fig, 24.
6.2
El Aumento de la Longitud y el Diámetro de los Electrodos
La longitud de la penetración del electrodo esta en función a la resistividad y profundidad de las capas del terreno, obviamente se prefiere colocar el electrodo dentro de la capa de menor resistividad.
5Ω
=
1 1
X1
+
1
X2
+ .... +
1
X 60
En terrenos de baja resistividad superficial y alta resistividad de la capa inferior resulta conveniente trabajar con barras como electrodos. Por otro lado debemos indicar, antes de proseguir con las demás variables que los resultados están ligados íntimamente, a la resistividad del terreno donde se está trabajando, teniendo valores variables entre 200 a 600 Ω-m en condiciones normales, si aplicamos la fórmula de la Resistencia en suelos R =( ρ/2π l)*Ln 2l/r; en el mejor de los casos conseguiremos una Resistencia de ≈ 0.5 ρ con un electrodo de dimensiones comunes y usuales; luego al aplicar la reducción recomendada se podría llegar a ≈ 0.1
ρ lo cual en la práctica nos resulta un valor de aproximadamente 20 Ω para el caso más favorable; siendo este valor muy alto para Puestas a Tierra, usados en Sistemas de Telefonía y Cómputo así como en aterramientos de Pararrayos convencionales y del tipo PDC. El aumento en el diámetro del electrodo tiene que ser mayúsculo para que su aporte reduzca significativamente la resistencia, debido a que en la fórmula de la resistencia el doble de la longitud se divide entre el radio y este resultado se ve afectado por el logaritmo natural, por ejemplo usando el caso anterior, si el electrodo que utilizamos fue de 5/8, para incrementar ostensiblemente la superficie de contacto, debemos añadir helicoidales de cable desnudo 1/0 AWG, cuyo diámetro de espiras estará en
los 18 cm y la separación entre estas sea de 20 cm lograremos una reducción de 30% de la resistencia, sin embargo, el diámetro del electrodo creció de 1,6 (5/8” φ ) a 18 cm (+1,025%) lo que equivaldría a utilizar un electrodo de ± 7” (17,78 cm) φ.
Fig. 24
6.3
El Aumento de la Distancia entre Ejes de los Electrodos
Normalmente la distancia entre ejes de los electrodos debe ser como mínimo el cuádruplo de la longitud de los electrodos; pero en los casos donde se requiera
obtener resistencias eléctricas muy bajas y exista disponibilidad de área de terreno, las distancias entre ejes de los electrodos, deberán crecer al máximo; pues a mayor distancia entre ejes de electrodos, mayor será la reducción de la resistencia a obtener; y ello ocurre por el fenómeno de la resistencia mutua entre electrodos.
Incorrecto
Correcto Fig. 25
6.4
Cambio del Terreno
Los terrenos pueden ser cambiados en su totalidad, cuando ellos son rocosos, pedregosos, calizas, granito, etc., que son terrenos de muy alta resistividad o pueden cambiarse parcialmente cuando el terreno está conformado por componentes de alta y baja resistividad; de modo que se supriman las partes de alta resistividad y se reemplacen por otros de baja resistividad; uno de estos procedimientos es realizado con el zarandeo del terreno donde se desechan las piedras contenidas en el terreno. El cambio total o parcial del terreno deberá ser lo suficiente para que el electrodo tenga un radio de buen terreno entre 30 a 50 cm en todo su contorno así como en su fondo. La resistencia crítica de un electrodo se encuentra en un radio contorno que va de 30 a 50 cm de este, por lo que se tendrá sumo cuidado con las dimensiones de los pozos para los electrodos proyectados. El porcentaje de reducción en este caso es difícil de deducir, debido a los factores que intervienen, como son resistividad del terreno natural, resistividad del terreno de reemplazo total ó parcial, adherencia por la compactación y limpieza del electrodo, pero daremos una idea porcentual más menos en función al tipo de terreno y al cambio total ó parcial. Para lugares de alta resistividad donde se cambie el terreno de los pozos en forma total, el porcentaje puede estar entre 50 a 70 % de reducción de la resistividad natural del terreno.
Para terrenos de media resistividad donde se cambie el terreno de los pozos en form parcial ó total, el porcentaje de reducción puede estar como sigue: ●
Cambio parcial de 20 a 40 % de reducción de la resistividad natural del terreno
●
Cambio total de 40 a 60 % de reducción de la resistividad natural del terreno.
Para terrenos de baja resistividad donde se cambiará el terreno de los pozos en forma parcial, el porcentaje de reducción puede estar entre 20 a 40 % de la resistividad natural del terreno.
La saturación en este caso se dará si cambiamos mayor volumen de tierra que la indicada, los resultados serán casi los mismos y el costo será mucho mayor, lo cual no se justifica.
Si se quiere obtener resultados bastante bajos de resistencia siempre será preferible el cambio total del terreno y el debido cuidado en la compactación del terreno en la construcción de los pozos porque el aire introducido en la tierra en el manipuleo, presentará gran resistencia eléctrica si esta no es eliminada prontamente.
6.5
Construcción de Mallas
Cuando haya la necesidad perentoria de llegar a resistencias muy bajas de tierra 2, Ω ó menos es imprescindible realizar, Estudios de Resistividad de Suelos que informen exactamente el valor de la resistividad del terreno donde se instalará Sistema de Tierra. Para diseñar con este valor un Sistema adecuado Técnica y Económicamente, donde aparte de distanciar los electrodos, se usará contrapesos en zanjas con profundidad variable, tratadas con tierra de baja resistividad y sales químicas con la finalidad de aprovechar la mayor superficie de contacto y producir resistividades aparentes artificiales bajas. Como contrapeso podrá usarse cables de Cu. de considerable diámetro 50 / 70 mm2 o pletinas de Cu. según sea el resultado de los cálculos efectuados por el método de Schawrtz u otro.
Fig. 26 Distintas configuraciones de mallas de puesta a tierra.
6.6
Tratamiento del Suelo.
El tratamiento del suelo surge como una necesidad de mejorar y disminuir la resistividad del terreno sin necesidad de utilizar una gran cantidad de electrodos.
Para elegir el tratamiento de un pozo de tierra se deben considerar los siguiente factores:
-
Alto % de reducción inicial
-
Facilidad para su aplicación.
-
Tiempo de vida útil (del tratamiento y del pozo)
-
Facilidad en su reactivación.
-
Estabilidad (mantener la resistencia durante años).
Las sustancias que se usan para un eficiente tratamiento deben tener las siguiente características:
6.7
-
Higroscopicidad.
-
Alta capacidad de gelificación.
-
No ser corrosivas.
-
Alta conductividad eléctrica.
-
Químicamente estable en el suelo.
-
No ser tóxico.
-
Inocuo para la naturaleza.
Tipos de Tratamiento
Existen diversos tipos de tratamiento para reducir la resistencia de un pozo a tierra: -
Cloruro de Sodio + Carbón vegetal
-
Bentonita
-
THOR-GEL
-
Cemento conductivo
6.7.1 Características Principales de los Tratamientos Ninguna Sal en estado seco es conductiva, para que los electrolitos de las sales conduzcan corriente, se deben convertir
en soluciones verdaderas
o en seudo
soluciones por ejemplo: el cloruro de sodio (sal de cocina) en agua forma una solución verdadera lo mismo que el azúcar, el mismo cloruro de sodio disuelto en benceno formará una seudo solución o dispersión coloidal como también se le conoce.
6.7.2 Cloruro de Sodio + Carbón Vegetal.- El Cloruro de Sodio forma una solución verdadera y se precipita fácilmente junto con el agua por efecto de la percolación,
capilaridad y evapotranspiración, otro inconveniente del tratamiento convencional con sal y carbón es la elevada corrosión a la que se expone al electrodo, reduciendo ostensiblemente su tiempo de vida útil. Si bien es cierto que el cloruro de sodio disuelto en agua no corroe al cobre (por ser un metal noble) no es menos cierto que la presencia de una corriente eléctrica convertirá al Sistema Cu + solución cloruro de sodio, en una celda electrolítica con desprendimiento de Cu y formación de hidróxido de sodio en cuyo caso ya empieza la corrosión del cobre. El objetivo de la aplicación del carbón vegetal molido (cisco de carbonería) es aprovechar la capacidad de este para absorber la humedad del medio, (puesto que el carbón vegetal seco es aislante) y retener junto a esta algunos de los electrolitos del cloruro de sodio que se percolan constantemente.
6.7.3 Bentonita.-
Las bentonitas constituyen un grupo de sustancias minerales
arcillosas que no tienen composición mineralógica definida y deben su nombre al hecho de haberse descubierto el primer yacimiento cerca de Fort Benton, en los estratos cretáceos de Wyoming en 1848. Aún cuando las distintas variedades de bentonitas difieren mucho entre sí, en lo que respecta a sus propiedades respectivas, es posible clasificarlas en dos grandes grupos: -
Bentonita Sódica.- En las que el ión sodio es permutable y cuya característica
más importante es una marcada tumefacción o hinchamiento que puede alcanza -
en algunas variedades hasta 15 veces su volumen y 5 veces su peso. Bentonita Cálcica.- En las que el ión calcio es permutable, tiene menor capacidad
para absorber agua y por consiguiente solo se hinchan en la misma proporción qu las demás arcillas. Las bentonitas molidas retienen las moléculas del agua, pero la pierden con mayor velocidad con la que la absorben debido a la sinéresis provocada por un exiguo aumento en la temperatura ambiente, al perder el agua pierden conductividad y restan toda compactación lo que deriva en la pérdida de contacto entre el electrodo y el medio, elevándose la resistencia del pozo ostensiblemente, una vez que la Bentonita se ha secado, su capacidad de absorber nuevamente agua es casi nula.
6.7.4 THOR-GEL. - Es un compuesto químico complejo que se forma cuando se mezclan en el terreno las soluciones acuosas de sus 2 componentes, el compuesto
químico resultante tiene naturaleza coloidal, formando un malla tridimensional micelar los componentes a los cuales les falte o sobre iones permitirán el transito de corrientes; convirtiéndose en un excelente conductor eléctrico. Tiene una gran atracción por el agua, de modo que puede aprisionarla manteniendo un equilibrio con el agua superficial que la rodea; esto lo convierte en una especie de reservorio acuífero. Rellena los espacios intersticiales dentro del pozo (poros), constituyendo una excelente conexión eléctrica entre el terreno de baja resistividad (reemplazado) y el electrodo, asegurando una conductividad permanente. Método de aplicación del THOR-GEL. - El tratamiento consiste en incorporar al pozo los electrolitos que aglutinados bajo la forma de un Gel mejore la conductividad de la tierra y retenga la humedad en el pozo por un periodo prolongado de manera que se garantice una efectiva reducción de la resistencia eléctrica y una estabilidad que no se vea afectada por las variaciones del clima. La cantidad de dosis por metro cúbico de tierra del pozo, varía de 1 a 3, y está en función a la resistividad natural del terreno.
6.7.5 Cemento conductivo.Los cementos conductivos se basan en tierras o piedras especiales como son el grafito, a los cuales se les añade cierta cantidad de cemento para que el resultado sea una masa o solido tipo concreto, que toma el lugar del electrodo metálico en el sistema de puesta a tierra.
Las propiedades del grafito son conocidas en la construcción de las escobillas de lo motores, aprovechando su alta conductividad
V
ESQUEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA (ECT) DEFINIDOS POR LA NORMA
IEC 60364 No hay ECT mejor o peor; todos consiguen la seguridad de las personas, pero cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes y es la necesidad la que debe de guiar la elección, a parte de lo que exijan o prohíban las distintas normas o leyes vigentes.
1
Evolución de las necesidades
Actualmente, tal como se definen en la Norma IEC 60364, y en el Anexo A3 del Código Eléctrico Nacional Utilización 1/07/2006, los esquemas de conexión a tierra (ECT), que durante mucho tiempo se han llamado «regímenes de neutro», son tres: ●
el neutro puesto a tierra y las masas conectadas al neutro (sistema T N),
●
el neutro puesto a tierra y las masas independientes (sistema TT),
●
el neutro aislado de tierra (o impedante) (sistema IT).
Estos tres esquemas tienen una misma finalidad en cuanto a la protección de personas y bienes; el control de los efectos de un defecto de aislamiento y se los considera equivalentes en cuanto a la seguridad de personas frente a contactos indirectos. Pero no es así para la seguridad de la instalación eléctrica de baja tensión (BT) en que se refiere a: • la disponibilidad de la energía, • el mantenimiento de la instalación.
Estas cualidades, cuantificables, son objeto de exigencias cada vez mayores en las fábricas y en los edificios del sector de servicios. Por otra parte, los sistemas de control o mando de edificios y la distribución de la energía eléctrica juegan un papel cada vez más importante a nivel de gestión y de seguridad.
Esta evolución de las necesidades de seguridad no es independiente de la elección d
un ECT. Hay que recordar que la continuidad del servicio es un factor primordial al producirse una emergencia relacionada con los ECT. Piénsese, por ejemplo, en una red de distribución pública sin averías que se desconecta sólo a los abonados con un defecto de aislamiento.
2
Causas de los defectos de aislamiento
Para asegurar la protección de las personas y la continuidad del servicio, los conductores y las masas con tensión de una instalación eléctrica están «aislados» respecto a las masas conectadas a tierra. • la utilización de materiales aislantes, • con una separación adecuada; por una parte, se necesitan determinadas distancias de aislamiento en el seno de un gas (por ejemplo, en el aire) y por otra, hay que tener presente el recorrido de las líneas de fuga en los aparatos eléctricos (por ejemplo el camino de contorneo en un aislador).
Un aislamiento se caracteriza por las tensiones específicas que, conforme a las normas, se aplican a los productos y equipos nuevos: • tensión de aislamiento Ui • tensión de resistencia a la descarga del rayo (onda 1,2; 50 ms); • tensión de resistencia a la frecuencia industrial (2 Ue + 1000 V/1 min ). Ejemplo para un tablero habitual de BT normalizado: • tensión de aislamiento: Ui= 1000 V, • tensión de descarga de rayo: 12 kV. Al conectar a la red una instalación nueva, hecha según las exigencias reglamentarias y con productos fabricados de acuerdo con las normas, el riesgo de defectos de aislamiento es muy bajo; pero al envejecer la instalación, este riesgo aumenta. En efecto, la instalación sufre diversas agresiones que originan fallas de aislamiento; citemos, a título de ejemplo:
durante la instalación:
●
- el deterioro mecánico de los aislantes de los cables; durante la utilización:
●
- el polvo, más o menos conductor, - el envejecimiento térmico de los aislantes, debido a una temperatura de servicio excesiva, que puede estar causada por: el clima, temperatura ambiente, altura sobre el nivel del mar, un número excesivo de cables en las canalizaciones, armarios mal ventilados, armónicos, sobreintensidades, etc.
- los esfuerzos electrodinámicos desarrollados durante un cortocircuito que pued dañar un cable o disminuir la distancia de aislamiento, - las sobretensiones de maniobra o de rayo, –
las sobretensiones de retorno a 60 Hz como resultado de un defecto de aislamiento en MT.
Normalmente es una combinación de estas causas primarias lo que lleva a un defec de aislamiento, que puede ser:
• de modo diferencial (entre conductores activos), lo que se convierte en un cortocircuito, • de modo común (entre conductores activos y masa o tierra) circulando entonces por el conductor de protección (PE) y/o por tierra una corriente de defecto, llamada de modo común u homopolar. Los ECT en BT resultan especialmente afectados por los defectos en modo común, que normalmente se producen a nivel de los equipos utilizadores de energía y los cables.
3
Riesgos debidos a un defecto de aislamiento.
Un defecto de aislamiento, sea cual sea su causa, presenta riesgos para: • la vida de las personas, • la conservación de los bienes,
• la disponibilidad de la energía eléctrica, lo que a su vez redunda en perjuicio de seguridad.
3.1
Riesgos de electrocución de las personas
Una persona (o un animal) sometida a una tensión eléctrica se electriza. Según l importancia de la electrocución, esta persona puede sufrir: ●
una molestia o dolor,
●
una contractura muscular,
●
una quemadura,
●
una parada cardíaca (es decir, una electrocución) (Fig.27)
Proteger a una persona de los efectos peligrosos de la corriente eléctrica es priorita el riesgo de electrocución es, por tanto, el primero a tener en cuenta.
Lo realmente peligroso -por su valor o por su duración- es la intensidad de corrien que atraviesa el cuerpo humano (especialmente el corazón). En BT el valor de la impedancia del cuerpo, (en la que un componente importante es la resistencia de la piel) no cambia en la práctica más que en función del entorno (locales secos y húmedos, por una parte, y locales mojados, por otra). Para cada uno de estos casos, se ha definido una tensión de seguridad (tensión de contacto máxima ad misible durante al menos 5 segundos); en la norma CEI 60479, se llama tensión límite convencional UL. Las normas CEI 60364, la UNE 20 460 y la NF C 15-100 precisan que, si la tensión de contacto (UC) tiene el riesgo de sobrepasar la tensión UL, la duración de la aplicación de la tensión de defecto debe de limitarse mediante la actuación de dispositivos de protección. (Fig. 28).
Fig. 27: Zonas tiempo/corriente de los efectos de la ca (de 15 Hz a 100 Hz) sobre las personas según CEI 60479-1.
a
b Fig. 28 Contacto directo e indirecto
Fig. 29: Duración máxima de mantenimiento de la tensión de contacto según la norm CEI 60 364.
Contactos directos e indirectos
Al estudiar los ECT, es útil recordar la electrocución por contactos directos e indirectos. ●
Contacto directo y medidas de protección
Se trata del contacto accidental de personas con un conductor activo (fase o neutro con una pieza conductora que habitualmente está con tensión (Fig. 28 a).
El riesgo es muy importante, la solución consiste en distribuir la energía eléctrica a una tensión no peligrosa, es decir, a una tensión menor o igual que la de seguridad. Es el empleo de la muy baja tensión de seguridad (muy baja tensión de seguridad y muy baja tensión de protección).
En BT (230/400 V), las medidas de protección consisten en poner las partes activa fuera del alcance o aislarlas con la utilización de aislantes, o barreras.
Una medida complementaria contra los contactos directos consiste en utilizar lo Dispositivos Diferenciales (DD) de alta sensibilidad ( 30 mA). La forma de tratar los contactos directos es totalmente independiente del ECT, pero esta medida (la utilización de DD) es necesaria en todos los casos de alimentación de circuitos cuyo ECT no se puede prever o controlar; segun la norma NF C 15-100 y se convierten en obligatoria esta medida, a nivel de: - las tomas de corriente de 32 A, - en ciertos tipos de instalaciones (temporales, en canteras...).
●
Contactos indirectos, medidas de protección y de prevención
El contacto de una persona con masas metálicas accidentalmente puestas bajo tensión se denomina contacto indirecto (Fig. 28 b), Esta conexión accidental a la tensión es el resultado de un defecto de aislamiento. Circula entonces una corriente de defecto y provoca una elevación de la tensión entre la masa del receptor eléctrico y tierra; aparece por tanto una tensión de defecto que es peligrosa si es superior a la tensión UL. Frente a este riesgo, las normas de instalación -CEI 60364 a nivel internacional, UNE 20 460 en España, y NF C 15-100 en Francia (estas normas son similares en el fondo y en la forma)– han oficializado tres esquemas de conexión a tierra –ECT– y han definido las reglas de instalación y de protección correspondientes.
Las medidas de protección contra contactos indirectos se apoyan en tres principi fundamentales: ●
la conexión a tierra de las masas de los receptores y equipos eléctricos,
para evitar que un defecto de aislamiento se convierta en el equivalente a un contacto directo; ●
la
equipotencialidad
de
masas
accesibles
simultáneamente:
la
interconexión de estas masas contribuye eficazmente a reducir la tensión de contacto. Esto se hace mediante el conductor de protección (CP) que interconecta las masas de los materiales eléctricos para el conjunto de un edificio, eventualmente completada con conexiones equipotenciales adicionales (Figs. 30, 31 y 32). ●
-
la gestión del riesgo eléctrico:
esta gestión se optimiza con la prevención. Por ejemplo, al medir el aislamiento de un equipo antes de su conexión, o por la predicción del defecto basada en el seguimiento de la evolución, con tensión, del aislamiento de una instalación alimentada y aislada de tierra (IT),
–
si se produce un defecto de aislamiento y éste genera una tensión de defecto peligrosa, hay que eliminarlo desconectando automáticamente la parte de la instalación donde se produce el defecto. La forma de suprimir el riesgo depende entonces del ECT.
Fig.30 sistemas con puesta a tierra dedicadas e interconectadas
Fig. 31 Una sola puesta a tierra para todas las necesidades (prohibido)
Fig. 32 Puestas a tierra separadas o independientes (prohibido) 3.2
Riesgo de incendio
Se ha demostrado, y después se ha incluido en las normas, que en locales especialmente
sensibles, cuando la corriente de defecto sobrepasa los 500 mA, un contacto puntu entre un conductor y una pieza metálica puede provocar un incendio . A título de ejemplo: ●
locales con riesgo importante: factorías petroquímicas, granjas,
●
locales con riesgo menor, pero donde las consecuencias pueden ser muy graves: edificios de gran altura con afluencia de público...
Con el neutro aislado, el riesgo de «incendio»: ●
es muy pequeño para el primer defecto,
●
es tan importante como en TN para el segundo defecto.
Para los ECT TT y, sobre todo TN, la corriente de defecto es peligrosa, vista la potencia desarrollada (P = Rd . I2): ●
en TT: 5 A < Id < 50 A;
●
en TN: 1 kA < Id < 100 kA.
La potencia puesta en juego en el punto del defecto, sobre todo en el esquema T N, es considerable y hay que conseguir limitar la energía disipada (
Rd.i2.dt) actuando con
la máxima velocidad y los mínimos valores posibles de corriente.
Esta protección, prescrita por la CEI y exigida por las normas francesas (NF C 15100), se realiza por medio de DD instantáneos con un ajuste 500 mA, sea cual sea el ECT. Cuando los riesgos de incendio son particularmente importantes (fabricación y almacenamiento de materias inflamables, ...), es necesario y hasta obligatorio, utilizar un ECT con las masas a tierra, minimizando naturalmente este riesgo (TT o IT). El TN-C está prohibido en Francia por la NF C 15-100 cuando hay riesgo de incendio (condición BE2) y/o de explosión (condición BE3): si el conductor CP y el neutro son el mismo conductor, no se puede instalar un DD Este riesgo, cuando se materializa, puede tener consecuencias dramáticas para las personas y para los bienes. Un gran número de incendios tienen su origen en un
calentamiento importante y puntual o en un arco eléctrico provocado por un defecto de aislamiento. El riesgo es todavía más importante si la corriente de defecto es elevada. Es también función del grado de riesgo, de incendio o de explosión, de los locales.
3.3
Riesgo de no disponibilidad de la energía.
El control de este riesgo tiene cada vez más importancia. En efecto, si para eliminar defecto se desconecta automáticamente la parte afectada, se tiene como resultado: • un riesgo para las personas, por ejemplo: - falta súbita de la iluminación, - desconexión de equipos útiles para la seguridad; • un riesgo económico por la falta de producción; este riesgo debe de ser especialmente controlado en las industrias de procesos, en las que una reanudación del servicio puede ser larga y costosa. Además, si la corriente de defecto es elevada:
• los daños en la instalación o en los equipos utilizadores pueden ser importantes aumentar los costos y los tiempos de reparación,
• la circulación de elevadas intensidades de defecto en modo común (entre red y tierra) puede también producir perturbaciones en el funcionamiento de equipos sensibles, sobre todo si éstos forman parte de una red de datos o señales de baja potencia,
extensamente distribuida y con conexiones galvánicas. Por último, al conectar la tensión, la aparición de sobretensiones y/o de fenómenos de radiación electromagnética CEM puede producir fallas, disfunciones y hasta el deterioro de equipos sensibles.
VI
FENÓMENOS ELÉCTRICOS TRANSITORIOS
En general llamamos fenómenos eléctricos transitorios
FETs. a todo disturbio
(sobretensión, pico, caída de tensión, cambio de frecuencia, inversión de fase, armónicos, etc.)
en las instalaciones de un sistema eléctrico que por el origen
podemos clasificarlo como:
1
SOBRETENSIONES DE ORIGEN EXTERNO
Estas son de origen atmosférico y comúnmente toman la forma de un gran impulso, la amplitud máxima que puede presentar no tiene relación con la tensión de operación del sistema. Estas sobretensiones se pueden deber a las siguientes causas: a) Descarga directas del rayo. b) Tensiones inducidas causadas por una descarga a tierra en un lugar cercano a la línea. c) Tensiones inducidas debido a variaciones atmosféricas a lo largo de las líneas de transmisión. d) Sobretensiones electrostáticas inducidas causadas por nubes cargadas. e) Sobretensiones electrostáticas inducidas, causadas por el efecto de la fricción de pequeñas partículas como el polvo en la atmósfera. f) Estática. g) Electromagnetismo.
2
SOBRETENSIONES DE ORIGEN INTERNO
Estas son de origen interno o industrial producido por el hombre y se pueden dividir dos clases:
2.1
Sobretensiones Internas de alta frecuencia.
Estas sobretensiones se deben a fenómenos transitorios que aparecen cuando el
estado de una red se cambia por operaciones de maniobra (switcheo) o por una cantidad de falla. La tensión resultante que toma la forma de una senoide amortiguada, tiene una frecuencia del orden de 20 Khz. y de hecho está gobernada por la inductancia y capacitancia inherente al circuito.
2.2
Sobretensiones internas de baja frecuencia.
Estas ocurren a la frecuencia nominal del sistema e incluyen la tensión en estad permanente que puede resultar, con pequeñas variaciones por la:
•
Desconexión de una carga importante, particularmente se presenta en el
caso de las líneas de transmisión largas.
•
Sobretensiones por maniobras por arranque o desconexión de cargas
importantes
•
Sobretensiones por fallas a tierra
•
Sobretensiones por desbalance de cargas
•
Armónicos
Los FETs de origen interno en B. T. En nuestro trabajo diario los conocemos mas como picos, sag, surge, flickers, armónicos, notching, ruido etc. Que podremos graficarlas y ver con los instrumento que actualmente se proveen, se muestra algunas gráficas.
Fi . 33 Distorsión or armónicos g
p
Fi . 34 Notchin g
3
g
Sobretensiones de Origen Atmosférico: El Rayo
Es el principal y más peligroso de los FETs causa disturbios impredecibles en sistem eléctricos por la magnitud de las cargas que acumula.
3.1 Fenomenología de las Cargas Aparecen normalmente en nubes cumuliformes de gran desarrollo vertical 19 Km y una extensión de 24 Km. En este tipo de nubes el agua solidificada (hielo) es arrastrada por corrientes verticales, muy fuertes en las nubes de tormenta. Estos movimientos causan fricciones, choques y fragmentaciones de las partículas de hielo (Hidrometeoros); así se crea el campo eléctrico en la nube (cargas positivas en la cima y la base de la nube, negativas en su centro).
Figura 35 Cuando en algunas partes de la nube se alcanzan valores de ruptura del potencial eléctrico se producen descargas eléctricas dentro de la misma nube o entre la nube y el suelo, en millonésimas de segundo. La descarga eleva la temperatura del aire del canal ionizado a mas de 25 000 grados centígrados.
El aire caliente se expande explosivamente, produciendo la onda de choque que percibimos como un estallido: el trueno. Cada rayo consta de varias descargas intermitentes. El proceso se inicia en la parte baja de la nube, entre la región de carga positiva y la de negativa, mediante una descarga invisible denominada descarga guía o líder, que consta de varias etapas, cada una de alrededor de 1 microsegundo, con interrupciones de unos 50 microsegundos. En cada etapa, la descarga, consistente en una avalancha de electrones libres que ionizan el aire por colisión, avanza unos 50 metros en dirección al suelo, esta descarga guía es ramificada, y a medida que se acerca al suelo, éste aumenta su carga positiva por inducción, de manera que cuando faltan menos de 100
m para el suelo, parte a su encuentro desde el suelo, y por los objetos más puntiagudos o conductivos una corriente positiva. Tras este primer contacto, fluye hacia el suelo un gran número de electrones, y se observa un destello luminoso que se propaga de abajo hacia arriba por el camino marcado por la descarga guía, denominado descarga de retorno. Debido a la gran rapidez del destello ascendente la totalidad del canal ramificado parece brillar simultáneamente.
Los rayos pueden producirse del suelo a la nube, de la nube al suelo, entre dos nubes o dentro de una misma nube, sin tocar el suelo. Un rayo dentro de la nube parece como si la nube se iluminara en su interior. Las protuberancias verticales del terreno, como árboles solitarios, antenas, montañas, campanarios, acortan el camino de la descarga. En áreas sin relieve predominante o relieve uniforme, la descarga puede ocurrir en cualquier lado, favoreciendo los puntos que destaquen por su altura o conductividad.
3.2
Parámetros del rayo.-
Intensidad de pico = Ipico = 100 kA Gradiente máximo de subida = (di/dt)max=100 KA/m s Energía útil = d i2(t) dt = 5KA2s Fig. 36 Podemos concluir diciendo que mayores serán las oportunidades de un punto terrestre para provocar la descarga eléctrica, cuanto más temprano pueda generar un flujo iónico ascendente. La tensión que puede alcanzar una descarga varia con la corriente que esta posea y por la resistencia eléctrica del punto donde debe derivarse o sea la resistencia eléctrica del sistema de tierra según los valores indicados en la tabla siguiente:
Distancia (metros)
Diferencia de potencial (Voltios)
10
796 x 103
50
53.1 x103
100
10.5 x103
200
3.8 x103
400 700
970 320
1000 2000 5000
158 40 6
10000
2
Fig. 37 De modo general, sabemos que las descargas de baja intensidad de la corriente piloto siguen un curso errático y sólo alcanzan las estructuras en punta cuando éstas completan el flujo de conexión, aunque este proceso es frecuentemente dificultado por el aire, que deforma y estrangula el canal de ruptura recién formado, en consecuencia el proceso se puede repetir varias veces y por consiguiente el riesgo se acrecienta. Al producirse el flujo de conexión del canal de ruptura, empieza la tercera fase o descarga principal, donde una fuerte descarga salta desde la tierra hacia la nube con una velocidad de orden de 2,000 Km./s iluminando todas las ramificaciones formadas por la corriente piloto de arriba hacia abajo, dando al observador la impresión que el rayo baja de la nube a la tierra.
Parámetro
Medio
Extremo
Corriente de pico (KA)
0 a 25
230
8
50
Gradiente de corriente (KA/m s) Duración del rayo (seg.)
0.1 a 0.3
1.5
0.5 a 3
400
Intervalo de tiempo entre impulsos30 (ms) a 40
500
Tiempo hasta el valor de pico (m s) 1 a 4
10
Numero de descargas en un rayo
34
Duración de cada descarga (ms)
2a4
Fig. 38 La potencia de una descarga de rayo puede estar en el orden de 1010 KW y puede causar daños considerables, se induce en líneas en forma de ondas viajeras si es que no cae directamente en las mismas o en infraestructura.
Si la descarga tiene lugar directamente entre la nube y los conductores de las línea entonces la potencia que se debe disipar en un tiempo muy corto dentro del cual
descarga ocurre, puede ser del orden 10 10 KW y casi siempre puede causar daños considerables. Sin embargo, la mayoría de las descargas tiene lugar en puntos adyacentes a las líneas o infraestructura, teniendo como resultado que se inducen tensiones en las líneas en forma de ondas viajeras. Estas ondas se pueden producir también por un proceso de inducción en el cual una carga se induce sobre la línea por la presencia en la vecindad de nubes cargadas. Si la carga en la nube se mueve por una descarga, la carga en la línea puede liberarse y resulta también una onda viajera.
En cualquiera de los casos anteriores, la onda se puede expresar comúnmente com la diferencia de dos exponenciales. a = E(e-at - e-bt) Donde a y b son constantes que determinan la forma.
Figura 39 Una onda de este tipo se emplea propósito de prueba cuando es necesario investigar el comportamiento de partes de una instalación o equipo bajo estas condiciones, denominándose pruebas de impulso tf se denomina tiempo de frente y de tiempo de cola; la onda que se escoge para prueba es de 1,2 micro segundos de tiempo de frente y 50 micro segundos de tiempo de cola, denominándose de 1,2/50 micro segundos.
4
Sobretensiones Internas de Alta Frecuencia.
Estas son producidas por operaciones de maniobra en la red, como se sabe cuando
los contactos de interruptor abren, la extinción final de la corriente viene seguida por la aparición de una tensión entre los contactos. La característica de esta tensión es una gran amplitud que puede alcanzar hasta dos veces la tensión del sistema y frecuencia relativamente alta. Esta tensión se incluye de hecho al circuito en las terminales del interruptor y viaja a través de la línea en ambas direcciones con la posibilidad de que se doble su valor si se tienen circuitos abiertos. En la práctica la resistencia y el efecto corona, reducen rápidamente la magnitud de las ondas viajeras en las líneas, pero el efecto sobre el aislamiento en los puntos cercanos de interruptor es de importancia, como también es la posibilidad de reencebados de arco entre los contactos.
5
SOBRETENSIONES INTERNAS EN B. T.
En procesos industriales a los ya mencionados también se debe tener en cuenta los fenómenos originados por conmutación eléctrica; así como, por maniobras operativas
de reposición abrupta del suministro eléctrico y por contactos accidentales; las causas mas frecuentes de los FETs. son: A. Arranque y parada de motores eléctricos. B. Encendido de luces de neón o sodio. C. Conexión y desconexión en unidades de conmutación eléctrica. D. Contactos de interruptores en circuitos inductivos. E. Operación de relés de apertura. F. Contactos falsos y/o accidentales. G. Circuitos eléctricos intermitentes. Estos fenómenos generan sobretensiones transitorias de varios KV en un tiempo de microsegundos, poniendo en peligro equipos eléctricos y/o electrónicos conectados a las redes.
6
Descargas electrostáticas: (estática de un ser humano)
Las descargas electrostáticas pueden generarse en una persona, ya que un ser humano actúa como un capacitor, de 100 a 300 pico Faradios (pF ); debido a la fricción una persona puede acumular hasta 15 kV y descargar en pocos nanosegundos una corriente de 10 Amp.
EFECTOS GENERADOS POR RAYOS SEGÚN ESTADISTICAS U.S.A.
• Los picos de voltajes son del orden de 6 000 V.
• Los picos de corrientes de 2 000 a 4 00 000 A.
• El tiempo de elevación hasta 99% es de 300 nanoseg a 10 micro segundos.
• La energía potencial al 99% es de 5 000 Joules. • La tasa de descarga de 2 a 200 Coulombs
VII
EJEMPLO PRACTICO DE DISEÑO DE PUESTA A TIERRA
Sistema de Puesta a Tierra de Pararrayos para Torres Deethanizadoras. Para diseñar adecuadamente el Sistema de Puesta a Tierra de los pararrayos de las torres Deethanizadoras se ha realizado las mediciones de Resistividad de Suelos bajo el método de Wenner, según lo indica el IEEE Std. 81 según el gráfico adjunto
Fig.40 Con los siguientes resultados, Localización A Distancia “a” en m Dirección N-S Dirección E-O 1 295 299 2 270 267.8 3 230 223.7 4 196 198.1 Localización B Distancia “a” en m Dirección N-S Dirección E-O 1 305 293 2 275 260 3 245 238 4 201 199
Observaciones
Observaciones
De estas mediciones tomamos el primer valor que luego promediamos en 298 300 ohm-m; con dicho valor hacemos nuestro diseño de la malla de Sistema de Puesta Tierra.
De acuerdo con los cálculos realizados usando como tratamiento de tierra el cemen conductivo SAN EARTH, obtenemos lo siguiente:
Perimeter Electrode L 4
L 4
W
D
Fig. 41 Soil Resistivity in Ohm-Meters RH O = Electrode Length Electrode Width Electrode Depth
Resistance in Ohms
300 ohm-meters
L=
ft
190 m
W=
ft
0.4 m
D=
ft
0.7 m
R=
ohm s
Fig. 42 Donde hemos aplicado la formula:
3.505 ohms
Fig. 43 Por lo que para la puesta a tierra de los referidos pararrayos proponemos el siguien diseño:
Una gran malla de 10 x 30 m con cable de cobre de 120 mm con cuadriculas de 5 m en cada lado
5m
5m
30 m Fig. 44
Malla que debe conectarse a los pararrayos con cable enterrado en zanja tratada co cemento conductivo de igual forma que la malla principal
El resultado de 3.505 Ohm esperado con esta malla satisface largamente lo que pid la Norma NFC 17 102 que rige para este tipo de pararrayos PDC que es de 10 Ohm.
El tratamiento será con cemento conductivo libre de mantenimiento según el siguie gráfico donde la profundidad del cable es de 0.60 m .
Fig. 45
VIII
ANEXOS
1. A continuación presentamos un extracto de la norma UNE 21186 correspondiente a la norma francesa NFC 17 102
2
Aplicación del cemento conductivo
3
NORMA UNE 21186: 1996 ANEXO A (Normativo) MODELO DE PROTECCIÓN
A.1 Descripción de la fase de aproximación A.1.1 Determinación del punto de impacto La formación o llegada de una nube de tormenta provoca la creación de un campo eléctrico (ambiente) entre la nube y el suelo Este campo eléctrico puede superar en el suelo los 5 kV/m, iniciando así la creación de descargas corona a partir de las irregularidades de suelo o de las masas metálicas El rayo comienza por la formación en el seno de la nube tormentosa de un trazador descendente que se propaga a impulsos hacia el suelo. El trazador descendente transporta cargas eléctricas, provocando el incremento del campo en el suelo. Un trazador ascendente se desarrolla a partir de una estructura o de un objeto sobre el suelo. Se propaga hasta que encuentra el trazador descendente y la corriente del rayo fluye por el canal así creado. Otros trazadores ascendentes pueden ser emitidos desde diferentes estructuras sobre el suelo El primero entre ellos que encuentra el trazador descendente determina el punto de impacto de la descarga (figura A.1)
NOTA Esta descripción es válida sólo en el caso de rayo descendente negativo, único caso en que se aplica el modelo electromagnético. Este tipo de rayo es con diferencia él más frecuente.
A.1.2 Velocidad de propagación de los trazadores
Recientes experimentos realizados, provenientes de la naturaleza, muestran que la
velocidades medias de los trazadores ascendente y descendente son comparables durante la fase de aproximación. La relación de las velocidades Va/Vd es aproximadamente 1 (entre 0.9 y 1.1). Supondremos aquí que v = va = vd = 1 m/ s (valor medio de las velocidades de trazadores) donde
Va
es la velocidad del trazador ascendente;
vd es la velocidad del trazador descendente;
v
es la velocidad común.
A.2 Ventaja en la protección con un PDC A.2.1 Avance en el cebado Un PDC está diseñado para reducir el tiempo medio estadístico asociado al cebado del trazador ascendente. Un PDC presenta una ganancia en el instante de cebado respecto a un PR emplazado en las mismas condiciones Esta ganancia se evalúa en laboratorios de alta tensión siguiendo las recomendaciones del apartado 2.2.2.l y del anexo C de esta norma.
4.2.2 Ganancia en longitud del tratador ascendente La ganancia en longitud del trazador ascendente L (m) = v (m/
s) . A (
L viene definida por
s)
La zona protegida se determina a partir del modelo de protección descrito a continuación, sobre las bases del modelo electrogeométrico
A.3 Modelo de protección A.3.1 Radio de protección de un PR En el caso de un PR, según el modelo electrogeométrico, el punto de impacto de la descarga viene determinado por el objeto sobre el suelo que primero se encuentre a la distancia D del trazador descendente, incluso si este objeto es el propio suelo llano. La distancia D que determina el punto de encuentro de los trazadores descendente y ascendente se denomina “distancia de cebado”: es también la longitud de desarrollo del trazador ascendente.
Por tanto, todo sucede como si el extremo del trazador descendente estuviese rodeado de una esfera ficticia, de radio D, centrada sobre el extremo, y como si es
esfera acompañase rígidamente el extremo del trazador descendente
En el caso de un PR de altura “h” con respecto a la superficie de referencia (techo d edificio, suelo...) existen tres posibilidades (véase figura A.2):
-
si la esfera entra en contacto únicamente con la punta vertical (A'), ésta constituirá el punto de impacto de la descarga; si la esfera entra en contacto con la superficie de referencia sin tocar la punta, el rayo tocará únicamente el suelo en S; si la esfera entra en contacto con el PR y la superficie de referencia simultáneamente, hay dos puntos de impacto posibles: A' v C' , pero el impacto jamás podrá producirse dentro de la zona sombreada (véase figura A,3).
La distancia de cebado D viene generalmente dada por la siguiente ecuación: D (m) = 10 x I 2/3 donde I es el pico de corriente del primer arco de retorno en kiloamperios A.3.2 Radio de protección de un PDC En el caso de un PDC, existe una ganancia en el instante de cebado At, y los puntos de impacto
t, con
posibles son A y C (figura A.4) con un radio de protección Rp tal que:
Rp = 2Dh-h2+ L(2D+ L), para h> 5 m donde D
es la distancia de cebado; L es la ganancia en longitud del trazador ascendente definido por
L=v.
h
es la altura de la punta del PDC por encima de la superficie a proteger;
Rp
es el radio de protección del PDC es la ganancia en el instante de cebado del trazador ascendente continuo
t
L=
4
NORMA UNE 21186: 1996 ANEXO D (Informativo) PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DEL RAYO Y SUS EFECTOS
D.1 Parámetros característicos del rayo D.1.1 Formas de las componentes impulsionales (descargas) de un rayo La figura D1 presenta algunas formas de onda de corriente de rayo Estas corrientes han sido registradas en la estación de estudio de tormentas del monte San Salvatore, en Suiza. Las tablas D.1 a D.13 presentan la distribución de las frecuencias acumuladas de las características del rayo.
D.1.2
Distribución de los diferentes parámetros del rayo
Los parámetros utilizados para describir el impulso del rayo (o los impulsos en el caso de impactos de descarga negativa múltiple) son numerosos. Se pueden citar en panicular: amplitud de la corriente, tiempo de subida, tiempo de cola, carga y energía específica. Estos parámetros hacen referencia a las formas de los impactos de rayo reales al como han sido medidos para establecer las estadísticas de distribución. Se puede, en una primera aproximación considerar que la amplitud, el tiempo de cola y el tiempo de subida están definidos como en el laboratorio. La carga, como tal, corresponde a idt 2 y la energía específica a i dt La utilidad de estos parámetros será estudiada más
adelante. La brusquedad de la subida (la pendiente máxima de la corriente expresada en kA/ s) es también algunas veces: un dato interesante para caracterizar un impulso aun que a ella están ligados otros parámetros ya definidos: tiempo de subida y amplitud.
El impacto de rayo completo, que comprende el/los impulso(s) y la corriente remanente que circula entre dos impulsos, viene caracterizado esencialmente por su duración total D.2 Efectos de los parámetros de la descarga Los diferentes parámetros citados anteriormente no conducen a los mismos efectos en general, a los mismos fallos de los diferentes materiales La amplitud de corriente se utiliza para tratar los problemas de sobretensiones y problemas de choques mecánicos generados por los impactos del rayo. El tiempo de subida solamente se considera al tratar el problema de las sobretensiones El tiempo de cola está ligado a los efectos mecánicos y se emplea, por tanto, para determinar el tiempo de aplicación de la fuerza electromagnética. Este tiempo de Cola es principalmente representativo de la energía de un rayo conjuntamente con la amplitud. Para representar esta energía, el binomio amplitud/tiempo de cola se puede reemplazar por: - La energía específica i2dt (amplitud y tiempo de cola), para el dimensionamiento de los componentes de la instalación del pararrayos (conectores, conductores - La carga idt (amplitud y tiempo de cola), para caracterizar los protectores contra sobretensiones ligados a los sistemas de protección
D.2.1 Efectos térmicos ligados a la cantidad de carga Q En las instalaciones de protección contra el rayo, estos efectos se observan principalmente sobre los puntos agudos, donde se puede llegar a producir la fusión de algunos milímetros del material en el extremo. Aún tratándose de superficies planas (chapas), se constatan trazos de fusión que pueden llegar a abrir una brecha completa.
Un impacto de rayo excepcional (300 ºC) es capaz de perforar chapas de basta 2 mm a 3 mm de espesor. Por este motivo, para que una pared metálica se utilice o pueda formar parte del SP CR deberá tener un espesor mínimo que varía según el tipo de metal (por ejemplo, 4 mm para el hierro, 5 mm para el cobre)
Las descargas de poca intensidad pero de larga duración provocan fácilmente l aparición de fuego. Como generalmente las descargas impulsionales del rayo viene
acompañadas de una corriente remanente, rara vez los impactos de rayo tienen una temperatura baja la madera seca puede incluso incendiarse con este tipo de descargas con largas corrientes persistentes. Los malos contactos son puntos particularmente peligrosos en la trayectoria de la corriente del rayo Las resistencias de contacto de algunas milésimas de ohmio provocan un desprendimiento de calor lo suficientemente grande como para que se puedan derretir cantidades de metal apreciables y saltar como chispas. Si un material fácilmente inflamable se encuentra próximo a uno de estos puntos de contacto defectuosos, se pueden producir fuegos indirectamente. Este tipo de chispas es especialmente peligroso en establecimientos expuestos a explosiones y en fábricas de explosivos.
D.2.2
Efectos térmicos ligados a la integral de corriente
i2dt
Cuando la corriente del rayo se propaga en un conductor metálico, se desprende calor según la ley de Joule, donde interviene el cuadrado de la intensidad i el tiempo t de paso de corriente y la resistencia óhmica R
Por lo tanto, los efectos térmicos importantes aparecen sobre todo en los puntos d resistencia alta Sin embargo, no se puede tomar como valor de la resistencia de un conductor la medida en corriente continua. Con las breves ondas de choque que suponen las corrientes del rayo aparece, como en alta frecuencia, el efecto pelicular. la corriente se encuentra confinada dentro de una capa delgada de algunas décimas de milímetro de espesor en la superficie del conductor En conductores de sección suficiente, no aparecen más consecuencias visibles que un recalentamiento, aun con el efecto pelicular Los calentamientos que llegan hasta la temperatura de fusión sólo se producen en conductores de sección muy pequeña o de resistividad muy alta. Se observan a menudo efectos de fusión, por ejemplo sobre los cables de antenas y los alambres. Por el contrario, raramente se observan sobre los cables más gruesos, de algunos milímetros de diámetro (por ejemplo los alambres de espino de hierro) Jamás se ha constatado un caso de fusión en las bajantes de los pararrayos que presenten las secciones recomendadas en esta norma. Por el contrario, en los malos conductores mucha de esta energía se libera en forma de calor al pasar a corriente. Debido a esto, el agua contenida en la madera, la mampostería y los materiales análogos se recalienta y se vaporiza Por la brevedad del fenómeno en su conjunto y como consecuencia del aumento de presión, se produce la explosión de árboles, de postes de madera de viguetas y murallas Este tipo de fenómenos explosivos tiene lugar con preferencia en entornos donde la humedad se acumula en puntos de entrada o de salida de corriente entre un material mal conductor (ladrillo) y un material buen conductor (abrazaderas de fijación de una bajante de pararrayos dañada, crampones de canalizaciones eléctricas, abrazaderas de hierro en conductos de gas y agua).
D.2.3 Efectos electrodinámicos
Los esfuerzos mecánicos de cierta importancia solamente se pueden manifestar en las parte(s) de la trayectoria recorrida por la descarga situadas de forma que una de ellas se encuentra en el campo magnético creado por otra. En este caso, cuanto más pequeña sea la separación entre estas partes mayores serán los esfuerzos mecánicos las espiras pequeñas tienden a aumentar con una fuerza grande En un anillo de 10 cm de diámetro de cable redondo de 8 mm, y en el caso de una fuerte corriente del rayo de 100 kA, se le está aplicando a cada centímetro del perímetro una fuerza de 1200 N; si el diámetro es de 2 m, la fuerza no será de más de 140 N. Por la interacción recíproca entre la corriente del rayo dentro de un conductor y el campo magnético terrestre, se pueden producir unos efectos mecánicos del orden de 10 N por metro de conductor como mucho: los efectos son insignificantes Junto con las fuerzas de repulsión, que rara vez pueden causar deformaciones en los conductores, hay también potentes fuerzas de atracción entre caminos paralelos de la corriente del rayo. cuando su separación es lo bastante pequeña. Esta es la causa de que las antenas tubulares delgadas se aplasten y los conductores paralelos se entrechoquen.
D.2.4
Diferencias de potencial y cebados
La desconcertante abundancia de signos de chispas que aparecen después del impacto violento de un rayo, a veces incluso dentro de los edificios provistos de pararrayos, se puede explicar por dos efectos bien conocidos en electrotecnia: el aumento de potencial en las tomas de tierra. que depende principalmente de la intensidad de cresta I (amplitud) de la corriente de paso, y de los fenómenos inductivo y capacitivo, que dependen principalmente de la pendiente de la corriente di/dt y de la tensión du/dt respectivamente. Téngase en cuenta que el fenómeno inductivo es más común y tiene consecuencias más graves que el capacitivo.
D.2.4.1 Aumento de potencial en las tomas de tierra . La existencia de una cierta resistencia R de la toma de tierra, debida a la propia resistividad del suelo, hace que la bajante del pararrayos presente, durante el paso de la corriente, una diferencia de potencial respecto a puntos próximos. El aumento del potencial total respecto a la tierra lejana no afectada (que permanece por convenio a potencial cero), se expresa por la ley de Ohm: U = RI. Así el paso de una corriente de 100 kA en una toma de tierra de 5 provocará un aumento de potencial en el dispositivo de paso de la descarga de 500 kV respecto a puntos del suelo lejanos. En realidad este aumento del potencial se reparte en el suelo en función del tipo toma de tierra y de las características del terreno. Todas las partes conductoras de la estructura que están conectadas de alguna forma a tierra (instalaciones de calefacción, redes de canalización, instalaciones eléctricas, revestimientos de cables,...), sufren también un aumento del potencial, si no están conectadas entre ellas. La única forma de impedir las diferencias de potencial es unir eléctricamente los conductores de bajada con las partes unidas a la toma de tierra
independientemente. De este modo, estas últimas se convierten en partes integrantes de la instalación de protección contra el rayo y pueden conducir una fracción de corriente según las leyes de circuitos en derivación. Gracias a su unión con los conductores de bajada, ellas mismas son integrantes de la instalación de protección Como no se pueden establecer conexiones conductoras con las líneas eléctricas de baja tensión, esta norma recomienda el montaje, en los puntos apropiados, de dispositivos de protección contra las sobretensiones (varistores o vías de chispas). Los protectores deben estar dimensionados para soportar una parte no despreciable (de algún % hasta el 50% aproximadamente en el peor caso) de la corriente del rayo que afecta al SPCR. Teniendo en cuenta las frecuencias que entran en juego en los NOTA fenómenos del rayo, no es suficiente considerar el valor de la toma de tierra medida en continua, sino, también su impedancia.
D.2.4.2 Fenómenos de inducción. Se producen por acercamiento entre la bajante a tierra y las estructuras metálicas del edificio. Un conductor de bajada del pararrayos forma bucles abiertos con las diversas estructuras metálicas de un edificio (canalizaciones de agua, calefacción central, alimentación eléctrica, etc.). Estos bucles serán el origen de fenómenos de inducción y entre sus extremos abiertos aparecerán fuerzas electromotrices. Esta norma tiene en cuenta estos fenómenos dentro del capítulo 3 (véase figura D.2).
5.
NORMA UNE 21186: 1996 ANEXO E (Informativo) PROTECCIÓN DE LAS PFRSONAS CONTRA EL RIESGO DF DESCARGAS ELECTRICAS DEBIDAS AL RAYO
E. 1 Generalidades Las personas que se encuentran en el exterior de una estructura se exponen a un mayor riesgo de ser alcanzadas por el rayo, tanto por impacto directo como por tensión de paso. Para las personas que se encuentran en el interior de un edificio los riesgos provienen de: a) el aumento brusco del potencial de elementos ligados a líneas que provienen del exterior, como las líneas eléctricas, el teléfono o los cables de antenas de TV instaladas en el exterior.
b) los objetos metálicos en el interior de una estructura que pueden también alcanz potenciales elevados: tensión de contacto.
Las medidas indicadas en esta norma para evitar las chispas peligrosas reducen lo riesgos para las personas en el interior de las estructuras.
E.2 Conducta personal
Las personas que quieran protegerse del rayo deberán tomar las siguientes precauciones: a) buscar refugio en un lugar que tenga un tejado unido eléctricamente a tierra o una estructura completamente metálica;
NOTA.- Las tiendas de campaña de fabricación convencional no ofrecen ninguna protección. b) en el caso do que no haya ningún refugio próximo, se debe reducir al mismo tiempo la propia altura (acuclillarse) y la superficie en contacto con el suelo (juntar los pies), y no poner las manos sobre un objeto conectado a tierra; c)
evitar montar en bicicleta o a caballo. No permanecer en un vehículo de tech descubierto;
d) evitar entrar en el agua o nadar;
e) alejarse de los lugares elevados, de los árboles de gran altura o aislados. Si no es posible, evitar la cercanía de un árbol más allá del final de las ramas
f)
evitar el contacto o la proximidad de estructuras metálicas, vallas metálicas,....
g) no llevar un objeto que sobresalga por encima de la cabeza (paraguas, palos de golf, herramientas,...) h) i)
evitar o limitar el uso de teléfonos de hilo;
evitar el contacto con todo objeto metálico, aparatos eléctricos, marcos de ventanas, radios, televisiones...
E.3 Primeros auxilios Los primeros auxilios a realizar son los mismos que para las descargas eléctricas o las quemadura. La respiración artificial debe ser realizada inmediatamente por un socorrista. Tal acción, así como otros tratamientos de urgencia pueden salvar a la persona afectada.
ANEXO NACIONAL Normas para consulta
Las siguientes normas tratan de la protección contra el rayo mediante otros sistem puntas Franklin hilos tendidos y mallas conductoras o jaulas de Faraday.
CEI 1024 - Protección de las estructuras contra el rayo UNE 21 85 - Protección de las estructuras contra el rayo y principios generales. Correspondencia con otras normas Esta norma está basada en la norma francesa NF C 17-102 (1995): Protection des structures et des zones ouvertes contre la foudre par paratonnerre e dispositif d ´amorcage
IX
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