(1) Introduccion y Seguridad de Personas y Equipos - 72

8/2/2019 (1) Introduccion y Seguridad de Personas y Equipos - 72

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Sistemas de Puesta a Tierra y

Proteccin de Equipos

Electrnicos sensibles

Profesor: Dr. Ing. Angel Valcrcel Rojas


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El curso est dirigido a:

Ingenieros y otros profesionales que debenresolver problemas relativos a la seguridad de

las personas y equipos electrnicos sensibles,como consecuencia de la circulacin a travsdel terreno de corrientes de gran magnitud,presentes en condiciones de falla de los

sistemas elctricos, o motivadas por otro tipode perturbaciones, ya sean de origen interno oexterno a ste.


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Caractersticas generales del curso

El curso est previsto para un total de 40 horas,entre conferencias, clases prcticas y

actividades de campo.

La evaluacin puede ser por exmenes

parciales o un examen final integral.

Como texto est previsto todo el material

elaborado por el profesor.


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Temas del curso1. Introduccin.

2. Seguridad de las personas y equipos en instalacioneselctricas.

3. Factores principales para el proyecto de una puesta a tierra.

4. Clculo de la resistencia de puesta a tierra en un terrenohomogneo por un mtodo aproximado.

5. Clculo de la resistencia de puesta a tierra en un terrenohomogneo por un mtodo semiexacto.

6. Medicin de resistividad de suelos.

7. Medicin de puestas a tierra.

8. Conceptos bsicos sobre corrosin y su proteccin.

9. Principios generales de la proteccin contra sobretensiones deequipos electrnicos sensibles.

10. Sistema exterior de proteccin contra descargas atmosfricas.

11. Sistema interior de proteccin contra descargas atmosfricas.

12. Determinacin de la interferencia en el interior de las zonas deproteccin contra descargas atmosfricas.

13. Dispositivos de proteccin contra sobretensiones. (Surge

Protector Divices, SPD)


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Introduccin

Objetivos de una puesta a tierra

Clasificacin de las puestas a tierra

Requisitos de una puesta a tierra

Definiciones generales.


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Objetivos de una puesta a tierra

Contribuir a reducir los valores de sobrevoltajeque pueden aparecer en condiciones anormalesde operacin en los sistemas elctricos.

Proporcionar una va de baja impedancia paralograr la operacin correcta de los elementos deproteccin del sistema.

Conducir en forma eficiente hacia tierra lasdescargas atmosfricas, limitando las diferenciasde potencial que pudieran presentarse en lainstalacin.


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Descarga de sobrevoltajes de origen externo, mediante pararayos

Estructura

Rayo

Arco

a

b

c

V

V

V


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Corriente residual de falla al ocurrir el contacto de una fase a tierraen un sistema aislado

a

b

c

V

V

V

Ic

IbIa

C C

IF = Ia

C

RFR

T.R

Rf

V

VV

c

ba

Ic Ib

IF

3 V

3 V


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Sobrevoltaje temporal en una subestacin intermedia B de unsistema de transmisin.

a

b

c

V

V

V

IFRFR

T.R

Rf

a

bc

=0

IF

=-IF R

S/E A

S/E B


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14/72

Plan de proteccin de Dos Etapas


15/72

Proteccin del transformador de una subestacin conpararrayos


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Aplicacin tpica de proteccin con DPS

Costo
http://productos-2006.pdf/http://productos-2006.pdf/


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IcIc

Ie(Ve)

Ze

Zc

ZTR

T.R.

I

Descarga inversa en una estructura de una lnea de transmisin
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Solicitacin del aislamiento de un transformador de distribucin,debido a un rayo

R1 R2

I

I/2 I/2

I/2

1

= R1

I/2 2 0

13.2 kV / 0.220 kV

T.R.
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Instalacin de puesta a tierra en un edificio Residencial o de Servicio
http://productos-2006.pdf/


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Puesta a tierra de proteccin.

Puesta a tierra de operacin o funcionamiento.

Puesta a tierra de servicio.

Clasificacin de las puestas a tierra

Es la que conecta conductivamente los elementos metlicos expuestos de unainstalacin, aquellos elementos conductores, normalmente sin tensin (carcasas,tuberas, crucetas , etc.) pero que pueden eventualmente adquirir un potencialrespecto tierra al producirse una falla en la instalacin.

Para el correcto funcionamiento de los sistemas elctricos y de algunasde sus componentes es necesario en muchas ocasiones establecer unaconexin a tierra en determinados puntos. Ejemplos de este tipo de puesta atierra son la conexin a tierra del neutro de los generadores y de lostransformadores conectados en estrella, la conexin a tierra de los pararrayos,cables protectores, supresores de sobretensin en instalaciones de bajo voltaje,

etc.

En los trabajos de reparacin y mantenimiento de muchas instalaciones esnecesario conectar a tierra temporalmente las partes normalmente energizadas

a fin de evitar accidentes debido a la reconexin indebida de la misma o a lastensiones inducidas por sistemas energizados cercanos.
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Requisitos de una puesta a tierra

1. Requisitos de proyecto: que establecen las caractersticas

generales de la puesta a tierra.

2. Requisitos de diseo: caractersticas que deben tener los

constituyentes de una puesta a tierra, para que sea

efectiva, duradera, soporte las solicitaciones mximas

(mecnicas y elctricas) a que puede estar sometida, etc.
http://productos-2006.pdf/http://productos-2006.pdf/


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Requisitos de proyecto

Los requisitos normales de proyecto de una puesta a tierra, son:

La puesta tierra o sistema deber tener, como mximo, un determinado valor

de resistencia establecido.

La puesta tierra o sistema deber tener, como mximo, un determinado valor

de impedancia a impulso establecido.

La puesta tierra o sistema deber abarcar un rea tal que abarque todos los

elementos de la instalacin que puedan adquirir potenciales peligrosos al

ocurrir un drenaje de corriente. Adems los elementos de la puesta a tierra

deben estar dispuestos de manera que se cumpla con los requerimientos de

seguridad para las personas que trabajan o transitan en su interior o contorno.

Deben tenerse en cuenta los posibles riesgos que pueden presentarse para los

equipos instalados en el interior o exterior de la instalacin protegida, y realizar

las acciones necesarias para disminuir estos riesgos de dao a un mnimo,

considerando aspectos de costo/beneficio.

L i l i t i l t bl l


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Las normas nacionales e internacionales establecen losniveles de resistencia de puesta a tierra para cadainstalacin e incluso fabricantes de equipos elctricos yelectrnicos que requieren de conexin a tierra para su

funcionamiento, establecen los niveles de resistencia depuesta a tierra que garantizan el correcto funcionamientode su equipo. Por ejemplo:

* Hay normas que establecen el limite de resistencia de

puesta a tierra de redes de computadora, de menos de 1 ,otras en menos de 2 .

* Para instalaciones industriales y de servicio de entre1 y 5 .

* Para subestaciones grandes entre 1 y 3 , parasubestaciones de distribucin entre 1 y 5 y para bancosde transformadores menos de 10 .

* Para estructuras de transmisin entre 10 y 30 , segnel voltaje y la resistividad del terreno


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31/72

Variacin en el tiempo de la corriente inyectada al terreno


32/72

Variacin en el tiempo de la resistencia de conexin a tierra en

funcin de la corriente de la figura anterior

Interconexin o unin de los sistemas de tierra


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Interconexin o unin de los sistemas de tierra

Representacin esquemtica de equipos puestos a tierra en unsistema mallado


34/72

Potencial superficial en los contornos de una barra de 3 m y 5/8.

Potencial superficial en el contorno de un conductor de 10 m de longitud


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Potencial superficial en el contorno de un conductor de 10 m de longitudy 0.01 m de radio.


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37/72

Ejemplo de determinacin de las zonas de proteccin contra el

rayo de un sistema a proteger


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39/72

Ejemplo de un sistema de puesta a tierra con combinacin de la

red de bonding y el sistema de terminacin de tierra


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Requisitos de diseo

Los requisitos de diseo de una puesta a tierra dependen de las caractersticas particulares de esta y

de las condiciones del medio en que se encuentra. Los requisitos normalmente considerados son :

Los diferentes elementos constituyentes de la puesta a tierra debern poder conducir las corrientesmximas que eventualmente puedan circular por ellos, durante el posible mximo tiempo, sin exceder

la temperatura mxima permisible. Esta temperatura depende del material de la puesta a tierra y del

tipo de unin usado entre sus partes. Este requerimiento es aplicable tanto a los elementos (electrodos)

que forman la puesta a tierra propiamente dicha, como los elementos de unin entre la puesta tierra, y

los equipos y estructuras (cables de unin, prensas, conectores, etc.).

Los elementos de la puesta a tierra debern soportar sin deterioro, los esfuerzos mecnicos a quepueden estar sometidos durantes las faenas de construccin.

El material empleado en la construccin de la puesta a tierra deber ser resistente a eventuales

ataques corrosivos del terreno y atmsfera.

No se usaran en la puesta a tierra, materiales que pudieran producir correccin galvnica de

importancia en otros elementos metlicos enterrados. Elementos que pueden ser afectados son

tuberas de diferente uso, bases de estructuras, anclajes de estructuras de lneas atirantadas, etc.

Se debern sobredimensionar y proteger los conductores de conexin a la puesta a tierra en aquellos

casos en que el calentamiento normalmente aceptado en otras circunstancias, pudiera dar lugar a

incendios debido a la presencia de materiales de fcil combustin o inflamables.

En zonas con emanaciones gaseosas inflamables, deber recurrirse a mtodos adecuados para evitar

en su casi totalidad, posibles arcos elctricos entre partes metlicas o entre estas y el terreno


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44/72


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46/72

Definiciones generales1. Tierra: Es la masa conductiva del terreno como un todo.

2. Puesta a tierra: Es un conjunto de uno o mas electrodos metlicosdesnudos, enterrados en el terreno e interconectados elctricamente

entre si, cuyo objetivo fundamental es proporcionar un contacto

elctrico conductivo entre tierra y otros elementos metlicos que se

encuentran en una instalacin sobre el terreno o en el terreno mismo.

3. Poner a Tierra: Es una accin intencional, mediante la cual

elementos activos del sistema, se conectan a una puesta a tierra, a

manera de establecer, de forma slida, la tierra como potencial de

referencia.

4. Conectar a tierra: Es una accin fsica intencional, de carcter

particular, realizada mediante conductores y conectores, para unir un

determinado elemento metlico o punto de un circuito de una

instalacin, con la puesta a tierra correspondiente. El objetivo es

establecer un potencial similar en todos estos elementos.


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Definiciones generales

5. Tierra remota o de referencia: Es una zona del terreno,suficientemente distante de una puesta a tierra, tal que su potencial

no cambie ante variaciones de la corriente dispersada por la puesta a

tierra o sistema de puesta tierra. Definida de esta forma, la tierra

remota se encuentra ubicada a una distancia tericamente infinita de

la puesta a tierra. Sin embargo, para fines prcticos, toda zona a partir

de cierta distancia, puede considerarse como la tierra remota. Esta

distancia depende, por un lado de las dimensiones de la puesta a

tierra, y por otro lado, de la precisin aceptada en su edicin o

anlisis.

6. Corriente de tierra: Es la parte de la corriente residual de falla que es

dispersada por la puesta a tierra y que retorna al circuito

correspondiente a travs de la tierra remota.


48/72

Definiciones generales7. Electrodo de tierra: Es el constituyente mas simple de una puesta a

tierra destinado a proporcionar un contacto con tierra. Consiste

generalmente de un tramo recto de conductor, enterrado en forma

vertical u horizontal. Una puesta a tierra puede estar constituida por

un solo electrodo por una combinacin de electrodos.

8. Malla de tierra: Es una puesta a tierra comn a todos los elementos

metlicos y circuitos de una instalacin o parte claramente definida de

la instalacin. Tiene como objetivo el poseer un adecuado valor de

resistencia y adems controlar las solicitaciones de voltaje a que

pueden quedar sometidas las personas y equipos, en el interior y

contorno del rea abarcada por ella. Generalmente consiste de unretculo de conductores interconectados y enterrados a cierta

profundidad. La malla de tierra puede estar unida con otras puestas a

tierra, mallas de tierra o electrodos auxiliares, para mejorar sus

caractersticas y las del conjunto.


49/72

Definiciones generales9. Malla equipotencial: es un conjunto de conductores o una rejilla

metlica de material plegado, instalada sobre o bajo el terreno o

suelo, conectada a una puesta a tierra principal y que tiene como

funcin principal establecer un potencial uniforme en el rea

abarcada. En el caso de una falla residual que compromete a la

puesta a tierra principal, la malla equipotencial dispersa solo una

corriente de pequea magnitud hacia el medio en que se encuentrainmersa o en contacto.

10. Electrodo auxiliar de puesta a tierra: Es un electrodo elemental,

generalmente alejado de la puesta a tierra principal, que tiene como

funcin esencial mejorar las caractersticas de esta ltima.

11. Resistencia a tierra: Es la resistencia existente entre un punto

cualquiera de una puesta a tierra y la tierra remota. Se define como el

cuociente entre el potencial elctrico que adquiere una puesta a tierra

y la corriente dispersada por sta.

D fi i i l


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Definiciones generales

12. Sistema de puesta a tierra: Es la interconexin intencional de

diferentes puestas a tierra ubicadas en un rea determinada,

generalmente prximas entre si, con el objetivo de mejorar las

caractersticas del conjunto.

13. Potencial: Es el potencial elctrico que existe entre una puesta a

tierra, un elemento metlico de una instalacin, un punto del terreno,

etc., y la tierra remota o de referencia.

Seguridad de las personas y equipos


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Seguridad de las personas y equipos

en instalaciones electricas

Introduccin

Efectos de la corriente en el ser humano

Voltajes tolerables por el cuerpo humano

Solicitaciones de voltajes para las personas en una

instalacin elctrica

Riesgos para los equipos en una instalacin elctrica

Introduccin


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Introduccin

Tensin superficial alrededor de una barra vertical de 3 m 5/8 , por la

cual penetra una corriente de 1000 A


53/72

La tensin en cualquier punto alrededor de unelectrodo vertical se puede determinar como:

Despejando las distancia de la ecuacin anterior

22

22

2rtt

rtltlLn

l

Ir

s


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10 20 30 40 50voltaje

2500

5000

7500

10000

12500

15000

Distancia

Variacin de la tensin a travs de la distancia conreferencia a un electrodo

Para

Resistividad de 100 ohm. m

Corriente de falla de 1000 A

Longitud del electrodo de 3 m

Tensin de 50 V

La distancia es de 318.3 m

Introduccin


55/72

IntroduccinTensin superficial alrededor de un conductor horizontal de 10 m 4/0

AWG, por el cual penetra una corriente de 1000 A

Introduccin


56/72

IntroduccinTensin superficial alrededor de una malla de 16 electrodos, por la cual

penetra una corriente de 1000 A

Ef t d l i t l h


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Efectos de la corriente en el ser humano

Para los fines particulares que interesan en el proyecto

y anlisis de una puesta a tierra, estos efectos sepueden delimitar por los siguientes parmetroscaractersticos:

1. Umbral de percepcin:

2. Limite de contraccin muscular:

3. Limite de fibrilacin ventricular:

Umbral o limite inferior de percepcin,

es el mnimo valor de corriente que es percibido por el ser humano.

Es el mnimo valor decorriente para el cual se hace difcil o imposible soltar de las manos elobjeto con voltaje que ocasiona la circulacin de corriente por el cuerpo

humano.

Corriente de suficientemagnitud que al pasar a travs del corazn, puede afectar las paredesmusculosas de los ventrculos y ocasionar un funcionamiento irregular y

descoordinado de ellos.

Zonas tiempo/corriente de los efectos de la ca (de 15 Hz a 100 Hz)sobre las personas segn CEI 60479 1


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sobre las personas segn CEI 60479-1.

Zona 1: percepcin

Zona 2: gran malestar y dolor

Zona 3: contracciones musculares

Zona 4: riesgo de fibrilacin ventricular

(parada cardaca)

C1: probabilidad 5%C3: probabilidad > 50%


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Corriente de fibrilacin vs peso corporal para diferentes animales

Basado en el golpe elctrico durante tres segundos


60/72

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tiempo en segundos

CorrienteenAm

perios

70 kg

50 kg

Limite de corriente que no alcanza a producir fibrilacin Ventricular conun 99.5% de probabilidad en funcin del tiempo de exposicin a la

corriente.

seg

msegfvt

I 58

116.0



61/72


Rm

R-Rm Rp/2-Rm Rp-Rm Rp-Rm

RmR

I I II

I

IT.R.T.R.T.R.

S S1 S2

0

I

I

I

I

IIRh

0

I I

II

I

0=0

c)b)a)

Solicitaciones de voltaje tpicas en una instalacin: a) entre manos ypies b) entre pies c) entre manos.


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101

102

103

104

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Resistivida del suelo en ohm-m

Resistenciade

contactoenohm

S=5000S=5000

hS=0.15 m

0.10 m

4000

3000

2000

1000

Resistencia Rp

de contacto de un pie en el terreno

s

ts

s

sp

hrR

2ln

11

4

2x 10

4


63/72

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Tiempo en segundos

Voltaje

tolerableenVoltios Vmp

Vpp

Vmm

Voltajes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie parauna Rp de 5000

tV tolmm

116

t

RV

p

tolpp

232.0116

t

RV

p

tolmp

058.0116

10000


64/72

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Tiempo en segundos

Voltajetolerableenvoltios

Vmp

Vpp

Vmm

Voltajes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie para una

Rp de 1000

tV tolmm

116

tRV ptolpp 232.0116

t

RV

p

tolmp

058.0116



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j p pinstalacin elctrica

b)a)

1 m

Vpaso

s

1 m

Vpaso

s

Solicitaciones de voltaje entre pies Vpaso en los contornos

de una puesta a tierra

0



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b)a)

Vcont

s s

Solicitaciones de voltaje entre manos y pies Vmp en el

interior de una puesta a tierra

0

Vcont



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0

s 0

s

0

Potencial transferido a una puesta a tierra desde un punto

alejado



68/72

instalacin elctrica

s

0

Potencial transferido desde una puesta a tierra a un punto

alejado

0

0

Riesgos para los equipos en una instalacin de alta


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g p q ptensin

U=0U0

U=U0+Ufn

Subestacin de

Transformacin110/13.2 kV

Subestacin de

Distribucin13.2/0.24 kV

Solicitacin de voltaje en un transformador, pararrayos y cableque alimenta un transformador alejado


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Alimentacin de consumos de baja tensin desde una subestacinalejada con puesta a tierra comn para alta y baja tensin

U0

Subestacin de13.2/0.24 kV

U=U0+Ufn

U=0

n


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Conexin del neutro lejano a las carcasas de los consumos de bajatensin

U0

Subestacin de13.2/0.24 kV

U=U0+Ufn

U=U0

n

malla equipotencial


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