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SEMINARIO: SEGURIDAD ELECTRICA EN LA IDNUSTRIA Y RIESGOS EN LA EMPRESA 1

ResumenLa seguridad en las instalaciones elctricas, es unaspecto de gran importancia, en particular lo que corresponde alriesgo elctrico de las personas dentro de la instalacin y fuera deella, al igual que la integridad de los equipos. Los sistemas depotencias son los encargados de prestar un amino adecuado yseguro para el drenaje de sobrevoltaje y corrientes de falla a

tierra remota. En este artculo se muestra los fundamentos de lossistemas de puesta a tierra en instalaciones de alto voltaje afrecuencia fundamental. Primeramente se muestra laconceptualizacin de los sistemas de puesta a tierra, suselementos, clasificacin, hasta finalmente presentar losfundamentos de clculos asociados a garantizar la seguridad delas personas y equipos dentro de la instalacin elctrica.

Palabras clavesMalla de tierra, puesta a tierra, seguridad,voltaje de paso y voltaje de toque.

I. INTRODUCCIN

Los sistemas elctricos de potencia, son extensas y

complejas estructuras por donde circula el flujo de potenciadesde los puntos de generacin a los centros de consumo. Losaspectos referentes a la seguridad del personal y los equiposdentro del sistema de potencia son de especial consideracin.En particular, la integridad fsica y la vida de las personas quelaboran en el proceso de produccin de electricidad junto conlos equipos asociados requieren especial consideracin. Lossistemas de puesta a tierra, son los elementos fundamentalesencargados, de entre otras cosas, propiciar un camino de bajaimpedancia que permita drenar en forma adecuada lossobrevoltajes y corrientes de cortocircuito, en condicionesanormales de operacin del sistema de potencia.

En este artculo se muestra los fundamentos de los sistemasde puesta a tierra en instalaciones de alto voltaje a frecuenciafundamental. Primeramente se muestra la conceptualizacin delos sistemas de puesta a tierra, considerando la normativa

Articulo redactado para la presentacin del Seminario: Seguridad elctricaen la industria y riesgo electrico en la empresa, UNEXPO, Puerto Ordaz,Venezuela, 16 de Abril de 2005.

FGL est con la Universidad Experimental Politcnica de la FuerzaArmada, Carretera Vieja Maracay-Mariara, Departamento de IngenieraElctrica, Maracay, Estado Aragua, Venezuela, Tlf. +58-414-4572832, E-mail:[email protected]

El autor es candidato a Doctor en Ciencias de la Ingeniera de laUniversidad Central de Venezuela, Loas Chaguaramos, Caracas, Distrito

Capital, Venezuela, E-mail: [email protected]

nacional: CADEFE, Cdigo Elctrico Nacional, hasta llegar adefiniciones, de consideracin internacional. Luego se

presenta la clasificacin y cada uno de los elementos queconforman el sistema de puesta a tierra. Finalmente, se

presentan algunos elementos de calculo para los sistemas depuesta a tierra, haciendo especial nfasis en la seguridad de las personas, considerando los voltajes mximos tolareables por

las personas.

II. CONCEPTUALIZACIN

La palabra "puesta a tierra" es comnmente usada en el reade los sistemas elctricos de potencia para referirse tanto a los"sistemas puestos a tierra" como a los "equipos puestos atierra". A fin de evitar confusiones o malos entendidos el

presente punto se dedica exclusivamente a los "sistemaspuestos a tierra".

A. CADAFESistemas de Puesta a Tierra. Segn el Manual de

Mantenimiento de Lneas y Operaciones de Subestaciones

CADAFE (1996), dice que el Sistema de Puesta A Tierra deuna subestacin es diseado a fin de garantizar las mximascondiciones de seguridad del personal que opera lassubestaciones y los equipos instalados en las mismas. Ytambin comentan que los elementos que integran el sistemason:

Malla de Tierra. Formadas por conductores y barrasenterradas a una profundidad adecuada y cuya configuracines la de unas retcula.

Cable de Guarda. Tiene por funcin proteger a lasubestacin contra impactos directos de descargasatmosfricas.

B. Cdigo Elctrico NacionalUn sistema puesto a tierra es una conexin a tierra desde

uno de sus conductores portadores de energa, ya sea en unsistema de distribucin o en un sistema de cableado interior.

Equipo a tierra. Un equipo puesto a tierra es una conexin atierra desde una o ms partes metlicas, no conductoras decorriente elctrica, del sistema de cableado o de los aparatosconectados al sistema. En este sentido, el trmino "equipo"abarca las partes metlicas como tuberas conduits, cajas ygabinetes metlicos, carcaza de motores y cubiertas metlicasde los controladores de los motores.

Francisco M. Gonzlez-Longatt

Sistemas de Puesta a Tierra:

Una introduccin a la Seguridad

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C. AIEE Estndar N 32, "Dispositivos de Puesta a Tierradel Neutro"

Sistema con neutro puesto a tierra. Un sistema con neutropuesto a tierra es una conexin a tierra desde el punto neutro o puntos de un circuito, transformador, maquinas de campo

rotante o sistema. El punto neutro de un sistema es el punto encual tiene el mismo potencial, como el que tiene el punto deunin de un grupo de resistencias iguales y no reactivas, siestn conectados de manera apropiada en sus terminales libresa los terminales principales de las lneas del sistema.

Sistema puesto a tierra. Es un sistema de conductores en elcual al menos uno de estos (en general el cable del medio o el

punto neutro de un transformador o del arrollado de ungenerador) es intencionalmente puesto a tierra, slidamente o atravs de un dispositivo limitador de corriente.

Observacin: Los sistemas puestos a tierra pueden sersometidos a sobretensiones en rgimen permanente o en

rgimen transitorio, dependiendo de los valores de loscocientes de X0/X1 y R0/X1 vistas desde el punto de falla. R0,X0 y X1, son respectivamente la resistencia de secuencia cero,la reactancia de secuencia cero, tomada como positiva si esinductiva y negativa si es capacitiva, y la reactanciasubtransitoria de secuencia positiva.

No puesto a tierra. Significa sin una conexin intencional atierra, excepto la que se da a travs de un indicador de

potencial o dispositivo de medida. Los sistemas de puesta atierra (SPAT) habr que entenderlos de ahora en adelante un

poco ms complejos que lo que se especifico anteriormente.Los procedimientos para disear y sobre todo para reconstruirlos SPAT se basan en conceptos tradicionales, pero suaplicacin puede ser muy compleja.

III. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Los SPAT pueden ser clasificados en varias formas. La Norma de Presentacin de Proyectos de Subestaciones deTransmisin Sistemas de Puesta a Tierra de CADAFE (1992),quedan clasificados como:

Sistema de Puesta a Tierra a Baja Frecuencia: es elconjunto de elementos que, en caso de una falla a tierra enalguna parte de un Sistema de Potencia con sus neutros

puestos a tierra, constituyen junto con el suelo, el divisor decorrientes de retorno a los neutros de las fuentes de energa

elctrica contribuyentes a la falla. Entre los elementos mascomunes de un sistema de puesta a tierra se encuentran lossiguientes: suelo natural, cables de guarda, neutros corridos,

pantallas de cables de potencia, envolturas metlicas de cablesde potencia y tuberas de cables enterradas. En caso deutilizarse el termino abreviado Sistema de Puesta a Tierra(SPAT), se entender que se refiere a lo concerniente a bajafrecuencia. Por lo nombrado anteriormente, todas lasespecificaciones que se darn a continuacin se referirn asistemas a bajas frecuencias (50-60 Hz).

La Puesta a tierra comprende cualquier conexin metlica,sin fusible, ni proteccin alguna, de seccin suficiente, entre

una parte de una instalacin y un electrodo o placa metlica,

de dimensiones y situaciones tales que, en todo momento, se pueda asegurar que los elementos se encuentran al mismo potencial de tierra. CEAC (1982). El propsito de colocar atierra los sistemas elctricos es para limitar cualquier voltajeelevado que pueda resultar de rayos, fenmenos de induccin

o de contactos no intencionales con cables de voltajes masaltos. Cuando se colocan a tierra los equipos elctricos, es paraeliminar los potenciales de toque que pudieran poner en

peligro: la vida de cualquier persona que este en contacto condicho equipo, y las propiedades para que operen las

protecciones por sobrecorriente de los instrumentos. Es decirque los SPAT proporcionan una va de baja impedancia yconducen a tierra corrientes provenientes de descargasatmosfricas.

Uno de los aspectos importantes para la proteccin contrasobretensiones en los sistemas de potencia, es el disponer deun sistema de puesta a tierra (grounding system) adecuado, al

cual se conectan los neutros del sistema, los pararrayos, loscables de guarda, las estructura metlicas, la cuba y lostanques de los equipos y todos aquellas parte metlicas quedeben estar al potencial de tierra. Rall (1981).

En los sistemas de potencia, se utilizan dos tipos principalesde puesta a tierra (grounding system):

Puesta a tierra de Proteccin. Puesta a tierra de Servicio.La puesta a tierra de proteccin, es aquella que se instala

con el objetivo primario de prevenir accidentes a las personasque interactan con el sistema de potencia.

En el sistema de potencia, con el fin de prevenir el riesgo dechoque elctrico, se deben conectar todas las partes de una

instalacin que no se encuentren energizadas al sistema depuesta a tierra, en especial cuando estas piezas puedan entraren contacto con partes energizadas por condiciones de averaso falla. Es una prctica muy comn en los sistemas de

potencia, conectar los siguientes elementos a tierra: Las carcasas de mquinas, cubas y tanques de

transformadores, reactores y equipos elctricos similares. Los arrollados de los transformadores de medida, debido a

que estos pueden ser sometidos a alta tensin, en los casosen que se produzca un dao en el aislamiento. En lostransformadores de corriente (TC), se conecta a tierra unode los bornes de baja tensin, y en los transformadores de

potencial (TP), se conecta a tierra el neutro del circuitosecundario trifsico, o bien una de las fases.

En los transformadores y reactores, se suele conectar atierra el centro de la estrella (Y) o una fase.

Las partes metlicas, bridas de aisladores, y todos aquelloselementos de metal que puedan bajo alguna circunstanciaentrar en contacto con partes energizadas o que puedan sersujetos a elevaciones de potencial, como consecuencia dela induccin electromagntica.

Los elementos de maniobra (palanca, manivela, rejillas deproteccin) de metal de los equipos elctricos del sistemade potencia.

La puesta a tierra de servicio, por su parte, es aquella

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conexin a tierra que pertenece al circuito de corriente detrabajo, es decir, el centro de la estrella de generadores ytransformadores. Algunos autores incluyen en esta categoralos circuitos de tierra de los pararrayos y otros dispositivos de

proteccin contra sobretensiones (bobinas, cables de tierra,

etc.). En condiciones normales de operacin del sistema de potencia, las conexiones a tierra, independientemente de sutipo, no deben conducir corrientes, y solo deben conducirlamientras funcionan los sistemas de proteccin de falla a tierrao los dispositivos de proteccin contra sobretensiones(pararrayos).

El estndarAn American National Standard (ANSI), IEEEGuide for Safety in AC Substation Grounding. ANSI-IEEEStd.80 1986, establece que el diseo de una puesta a tierrasegura (safety in grounding) posee solamente dos objetivos: Proveer un medio para enviar la corriente elctrica dentro

de la tierra bajo condiciones normales o anormales, sin que

se exceda ningn los limites operativos o de los equipos oafecte la continuidad del servicio. Asegurar que las personas en la vecindad de la instalacin

aterrada (grounding facilities) no sean expuestas a peligrode una descarga elctrica (critical electric shock).

Para lograr una instalacin de puesta a tierra segura, se debetener presente el control de la interaccin de dos sistemas detierras: La tierra intencional (proteccin o servicio), consistente en

los equipos para descargas las corrientes a tierra (terreno). La tierra accidental, la establecida temporalmente por una

persona expuesta la gradiente de potencial en la vecindaddel sistema de puesta a tierra.

Las personas frecuentemente asumen que un objeto aterrado(grounded), puede ser tocado con seguridad; esta ideaequivocada probablemente contribuy con accidentes en el

pasado, un instalacin con una baja resistencia del SPAT, porsi solo, no es una garanta de seguridad. No es una simple relacin entre las resistencias del SPAT

como un todo y una corriente mxima de descarga a la que una persona puede ser expuesta. Como quiera que sea, unainstalacin con una relativa baja resistencia de tierra puede ser

peligrosa bajo algunas circunstancias, mientras que otra conuna muy alta resistencia puede ser segura con un cuidadosodiseo.

IV. ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SPAT

Los elementos que componen un sistema de puesta a tierrason: el suelo, conductores y malla de Tierra, el electrodo detierra y la interfase. Todos los elementos nombrados conanterioridad son factores de estudios muy independientemente,

para despus lograr concatenarlos obtenindose un productofinal satisfactorio.

A continuacin se detallaran cada uno de los factores y seexplicara sus vinculaciones con el SPAT.

V. EL SUELO

Es el elemento encargado de disipar las corrientes a tierra,

ya sean de falla, de descargas atmosfricas y otras nodeseables. El se estudiar desde el punto de vista elctrico porlo que se define la resistividad del suelo como la resistenciade un cubo de un mt3 de suelo cuando es medido entrecualquiera de las dos caras opuestas. La mayora de los suelos

son malos conductores de electricidad, excepto los que tienencontenido mineral que por su naturaleza son conductores. Sinembargo, dado los volmenes que entran en juego, es posibleconseguir una conduccin aceptable a travs de este. Suelosarcillosos, arenosos y rocosos algunas veces tienen unaresistencia elevada, por lo que pueden considerarse comoconductores pobres. Cuando estos terrenos presentan uncontenido de humedad, la resistividad disminuyeconsiderablemente y en este caso se puede considerar cmo

buenos conductores (pero en comparacin con los metlicosalgunos son muy pobres).

La resistividad de suelo depende en gran parte de los

elementos componentes que aportan electrones libresconcadenados por un electrolito, que en la mayora de lasveces es el agua comn. La conduccin del terreno esfundamentalmente electroqumica y depende principalmentede: Volumen de los poros del material que compone el terreno. Dispersin y distribucin de los poros. Porcin de los poros rellenos de agua. Conductividad del agua que llena los poros, la cual

compone a su vez de:o Conductividad primaria: La del agua que entra en los

poros.o Conductividad secundaria: La adquirida por disolucin

del material y que depende del estancamiento.La resistividad de un terreno vale aproximadamente:

T = a(cVp) (1)donde: a es la resistividad del agua que llena los poros. c es

una constante que depende de la distribucin de los poros Vpes el volumen de los poros

A. Factores que Determinan la Resistividad del TerrenoLos factores, principales que determinan la resistividad del

suelo son: tipo de suelo, salinidad, humedad del terreno,temperatura, tamao del grano y distribucin, resistividad delas aguas naturales, estratigrafa y por ltimo efectos de la

propiedades fsico-qumicas del suelo sobre la corrosin.1) Tipos de Suelo

Desafortunadamente los tipos de suelo no estn definidosclaramente, por ejemplo al mencionar la palabra arcilla, secubre una amplia variedad de suelo, es por ello que es difcil o

prcticamente imposible decir cual es la resistividad promedio,igual ocurre con otros; y peor an en diferentes localidades elmismo tipo de suelo presenta diferentes valores deresistividad.

A continuacin se presentan las Tablas 1, 2 y 3 quemuestran los valores de resistividad de los terrenos de acuerdoa los materiales y naturaleza, los cuales son indicativossolamente. Tanto la temperatura y especialmente la humedad

del suelo tiene una influencia sumamente importante en la

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resistividad del mismo. El conocimiento de la influencia de lahumedad y la temperatura sobre la resistencia a tierra de loselectrodos, resulta indispensable para garantizar que el sistemade aterramiento mantenga en el tiempo caractersticassatisfactorias.

TABLA 1RESISTIVIDAD DE ACUERDO AL TERRENO

Naturaleza del terreno Resistividad en -m

Terrenos pantanosos de algunas unidades a 30

Limo 20 a 100

Humus 10 a 150

Turba hmeda 5 a 100

Arcilla plstica 50

Margas y arcillas compactas 100 a 200

Margas del jursico 30 a 40

Arena arcillosa 50 a 500

Arena silcea 200 a 3.000

Suelo pedregoso cubierto de csped 300 a 500

Suelo pedregoso desnudo 1500 a 3.000

Calizas blandas 100 a 300

Calizas compactas 1000 a 5000

Calizas agrietadas 500 a 1000

Pizarras. 50 a 300

Rocas de mica y cuarzo 800

Granitos y gres procedente de alteracin 1.500 a 10.000

Granitos y gres muy alterados 100 a 600

TABLA 3VALORES MEDIOS DE LA RESISTIVIDAD DE ACUERDO AL TERRENO

Naturaleza del terreno

Valor medio de la

resistividad en-m

Terrenos cultivables y frtiles, terraplenes compactosy hmedos

50

Terraplenes cultivables poco frtiles y terraplenes 500

Suelos pedregosos desnudos, arenas secaspermeables.

3.000

B. Humedad del SueloDebido a que la conduccin de corriente es mayormente

electroltica, la humedad facilita la disociacin de las sales eniones positivos y negativos; al haber ms humedad hay mayor

conductividad y por lo tanto menor resistividad, esto seaprecia en el Figura 1.

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

% Porcentaje de Humedad

Resistividad(ohm-mt)

M ar ga Ar cillos a Capa Supe rficial Ar cilla

Fig. 1. Variacin de la Resistividad en Funcin de la HumedadSe puede decir que hay una variacin considerable de la

resistividad medida en temporada de lluvia y la medida entemporada de sequa, en la Tabla 4 se presentan algunosejemplos especficos. Muchas veces, una manera de reducir laresistencia de puesta a tierra es humedeciendo el terreno a lolargo del tiempo, logrando as valores bajos de resistividad.

Hay algunas instalaciones que tiene prevista una tubera deagua, la que utilizan para mantener una concentracin dehumedad en todas las pocas y durante aos; manteniendovalores bajos de resistividad.

TABLA 4RESISTIVIDAD DE LOS MATERIALES

Materiales Resistividad en -m

Sal Gema 1013

Cuarzo 109

Arenisca, guijarros de ro, piedra triturada 109

Rocas compactas, cemento, esquistos 106

Carbn 105 - 106

Rocas madres, basaltos, cascajos 104

Granitos antiguos 104

Terrenos rocosos, calizos(jurasico)secos 3103

Yeso seco 103

Concreto normal(seco) 10 - 50103

Arena fina y guijarros(secos) 104

Arena arcillosa, grava y arena gruesa hmeda 5102

Suelos calcreos y rocas aluvinarias 3 a 4102

Tierra arenosa con humedad 2102

Barro arenoso 1.5102

Concreto normal en suelo 1 2.4102

Margas turbas 102

Arcillas(secas) 30

Arcillas ferrosas, piritosas 10Agua de mar 1

Soluciones salinas 0.1 - 0.001

Minerales conductores 0.01

Grafitos 0.0001

TABLA 5EFECTO DE LA HUMEDAD EN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

Resistividad-mContenidoDe Humedad(% Por Peso) Capa Vegetal Arcilla Arenosa

0 107 107

2,5 2500 1500

5 1650 430

10 530 185

15 190 105

20 120 63

30 64 42

C. Temperatura del SueloLa resistividad del suelo es aproximadamente independiente

de la temperatura hasta que alcanza el punto decongelamiento; en ese momento la resistividad del suelo seincrementa muy rpidamente pareciendo que no hayvirtualmente ningn contacto con la tierra, la razn de ello esdebido a que no hay disociacin de sales. En la tabla 6 se

ndica como vara la resistividad en funcin de la temperatura

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para un suelo del tipo arcilla-arenoso.Para sitios de climas tropicales como Venezuela, no es

necesario penetrar o clavar un electrodo a grandes profundidades, procedimiento muy comn en pases dondegeneralmente no les conviene colocar conductores enterrados

horizontalmente a poca profundidad porque los primeros uno odos metros de la superficie del suelo se congelan en elinvierno, lo que produce un aumento en la resistividad.Tambin cabe decir, que existen lugares donde la resistividad

puede bajar y subir a medida que aumenta la profundidad, osea, un comportamiento de suelo estratificado.

TABLA 6EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

Temperatura C Resistividad en -m

20 72

10 99

0 (agua) 138

0 (hielo) 300-5 790

-10 3300

Entonces se puede decir o afirmar, qu en los pasestropicales la resistividad es menor cuando la profundidad esmayor, porque el contenido de humedad y nivel fretico esmayor, siempre teniendo en cuenta las excepciones anteriores.

D. Tamao y Distribucin del Grano del SueloEl suelo al estar compuesto de partculas ms pequeas

(menor granulometra) es ms compacto, denso y osmtico, enla mayora de los casos. Una mayor compactacin disminuye

la distancia entre las partculas y se logra mejor conduccin atravs del liquido contenido. A medida que se aumenta elcontenido de humedad, se alcanza una especie de saturacinya que el agua envuelve la mayoras de las partculas y unmayor acercamiento entre ellas no influye en la conduccin.Esta es determinada, esencialmente, por la caractersticas delmaterial y agua contenida.

Al retener la humedad por perodos largos de tiempo lohacen conductores independientes de las temporadas de lluviay sequa; por lo que la resistividad vara poco a lo largo delao. La tabla 7 evala cualitativamente los dos movimientosdel agua en algunos materiales: el movimiento de zonassuperiores a zonas inferiores debido a la infiltracin y elmovimiento de zonas superiores a zonas inferiores debido a lacapilaridad.

TABLA 7MOVIMIENTOS DEL AGUA EN ALGUNOS MATERIALES

Tipo deterreno

InfiltracinRetencin

del aguaCapilaridad

Altura delTerreno

influenciadapor el terreno

Humus Rpida ptima Normal Pequea

Arena Normal Mucha Rpida Mediana

Creta Lenta Poca Lenta Mediana

Arcilla Lentsima Poqusima Lentsima Grande

La estimacin de la resistividad o resistividades promedio

de un terreno con el fin de ser utilizadas en el diseo de unsistema de aterramiento, debe ser realizada sobre la base de laetapa mas negativa del ao al respecto, generalmente la pocaseca, ya que este define la peor condicin en lo que aresistividad se refiere.

E. Salinidad del SueloComo es sabido la cantidad de agua presente en el suelo es

un factor determinante en la resistividad del suelo y la del aguaest determinada por la cantidad de sales disueltas en ella. Lascurvas de la Figura 2 ilustran, como pequeas cantidades desales disueltas pueden reducir considerablemente laresistividad del suelo.

1

10

100

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24

(%) Porcentaje de Solucin

Resistivada

d(ohm-mt)

Hid ru ro d e Sod iu o Sulfat o d e So dio Car bo nat o de So dio Su lfat o d e Cob re

Fig. 2. Variacin de la Resistividad en Funcin al Contenido

de Sales

F. Resistividad de las Aguas Naturales que se Encuentran enel Suelo

Las aguas que se encuentran en la naturaleza poseenconductividad apreciable, pues siempre tienen disuelta algunacantidad de sales. La cantidad y clase de estas sales dependende la naturaleza de las rocas con que las aguas hayan entradoen contacto en su marcha por la superficie del terreno osubterrnea. La cantidad de sales de las aguas suele oscilarentre 0,1 y 35 gramos/litros, cifras que corresponden estasltimas a las aguas marinas. A continuacin se puedeobservar en la tabla 8 los mrgenes de variacin de lasresistividades de las aguas naturales.

TABLA 8VARIACIN DE LA RESISTIVIDAD DE LAS AGUASNATURALES

Aguas Naturales Resistividad-m

Aguas de lagos y arroyos de alta montaa 103 - 3103Aguas dulces superficiales 10 - 3103

Aguas salobres superficiales 2 a 10Aguas subterrneas 1 20Aguas lagos salados 0,1 a 1

Aguas marinas 0,2Aguas de impregnacin de rocas 0,03 a 10

Todos los datos especificados en la tabla anterior se refierena mrgenes usuales de variacin.

G. Estratificacin del SueloEste trmino se refiere a que el suelo no es uniforme, sino

que puede presentar diferentes capas cuya composicin no esigual, por lo tanto su resistividad variara con cada una deellas. Por lo general las capas ms profundas tienen una

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resistividad media menor por ser ms ricas en contenidomineral y humedad o se puede decir que estn mas cerca delnivel fretico.

H. Efectos de las Propiedades Fsico-Qumicas del Suelosobre la Corrosin.La corrosin puede afectar el comportamiento y laconfiabilidad de un sistema de tierra cuando la seccintransversal del conductor afectado se torna inadecuado parallevar la corriente para la cual fue diseado. Por lo tanto, lacorrosin se convierte as en un factor decisivo en el diseo deun sistema de puesta a tierra, puesto que no es fcilinspeccionar o probar la red de tierra para localizar lacorrosin, ni practico reforzar o reemplazar las partes daadas.Adems, la corrosin de los metales en el suelo es en primerlugar un fenmeno electroqumico y resulta de la accin denumerosas celdas galvnicas. Cada celda galvnica consta de: reas de ctodo y nodo de la superficie del metal. Electrolito del terreno capaz de provocar el proceso entre

nodo, ctodo y de la corriente que fluye entre estos.La aparicin de diferencias de potenciales en la superficie

del metal inmerso en un electrolito, es atribuida bsicamente ala inestabilidad termodinmica del metal en un ambiente dado.Esta inestabilidad termodinmica de los metales es expresadaen trminos de potenciales electroqumicos. Mientras mayor esla inestabilidad, mayor es la tendencia del metal a migrar haciael electrolito en forma de iones. A continuacin se enumeraranvarios factores que afectan en la corrosin, estos son:1) Influencia de la resistividad del suelo

La acidez del suelo es una medida de casi todas las

caractersticas fsico-qumicas del mismo. Mediante datosexperimentales se ha logrado determinar que el grado decorrosin de la mayora de los suelos se incrementa con laacides del terreno. El rango de corrosividad de suelos aceptadose muestra en la Tabla 9.

TABLA 9RESISTIVIDAD DE SUELOS Y CORROSIN

Rango de suavemente-m

Clase

Menos de 25 Suavemente corrosivo25-50 Moderadamente corrosivo

51-100 suavemente corrosivoMas de 100 Poco corrosivo

2) Penetracin del aire en el suelo:Algunos investigadores consideran que una pobre aireacin

del suelo ocasiona mayor grado de corrosin que un suelo conbuena propiedad de penetracin de aire.3) Contenido de humedad

La razn de penetracin de aire y la resistividad del terrenodecrece con el incremento del contenido de humedad. Engeneral, la corrosividad del suelo se incrementa con elcontenido de humedad hasta un punto critico y mas all de este

punto la corrosividad decrece debido a la reduccin de lacantidad de oxigeno requerido para la despolarizacincatdica. La humedad en el nodo acelera el proceso all.

4) Contenido de cidos y salesEn suelos altamente cidos, se incrementa la

despolarizacin en el ctodo debido a la disponibilidad dehidrgeno y adems, la corrosividad del suelo aumenta con laacidez. La presencia de sales reduce la resistividad. Las sales

cidas generalmente incrementan la corrosin y las salesalcalinas actan como inhibidores de la corrosin. Las salesligeramente oxidantes son extremadamente corrosivas, noocurre as con las fuertemente oxidantes.

VI. CONDUCTORES Y MALLA DE TIERRA

Los elementos conductores que conforman el SPAT debende poseer una seccin apropiada a la intensidad de corrienteque ha de recorrerlos durante su operacin, de forma que no se

produzca un calentamiento inadmisible. Los conductoresutilizados en los sistemas de tierra son de cable de cobre decalibres por encima de 4/0 AWG dependiendo del sistema que

se utilice( las disposiciones bsicas de las redes de tierra son:Sistema Radial, Sistema de Anillo y Sistema de Red). Laescogencia del calibre 4/0 AWG de cobre como mnimoobedece a razones mecnicas, ya que elctricamente puedenusarse cables de cobre hasta #2 AWG. Rall (1987). El cobrese utiliza como conductor en los sistemas de tierra, debido a sumejor conductividad, tanto elctrica como trmica, y sobretodo, por ser resistente a la corrosin ya que este es catdicorespecto a otros materiales que pudieran estar enterrados en lasvecindades de l. Por su parte, la enciclopedia del CEACestablece como calibres mnimos:

TABLA 10CALIBRE MNIMO DE CONDUCTORES DE TIERRA

Material rea (mm2)

Hilo o cable de cobre estaado 35

Hierro Galvanizado 100

El tendido de los conductores de tierra ha de realizarsecon conductor desnudo, sin aisladores, al descubierto, deforma visible y de tal forma que no resulte fcil su deterioro

por acciones mecnicas o qumicas. En la medida de lo posible, los conductores de puesta a tierra han de tener uncontacto elctrico perfecto, tanto con las partes metlicas quese desea poner a tierra, como con la placa o electrodo queconstituye la toma de tierra propiamente dicha; de tal forma,que es necesario que las conexiones de los conductores de

tierra con las partes metlicas y la toma de tierra, se realice consumo cuidado, utilizando piezas de conexin y empalmeadecuados; de igual forma los contactos han de disponerselimpios, sin la presencia de humedad y de tal forma que los

posible efectos electroqumicos no destruyan con el tiempo lasconexiones realizadas. Es una prctica muy general, protegerlos contactos con pasta o revestimientos de tipo qumicos,siempre que la resistencia elctrica del contacto no resultaelevada. En Venezuela, el Cdigo Elctrico Nacional, en suartculo 250-91a, establece que el conductor del electrodo de

puesta a tierra debe ser de cobre, de aluminio o de ncleo dealuminio con recubrimiento de cobre (10% de la seccintransversal). El material elegido ser resistente a todacondicin de corrosin que exista en la instalacin o estar

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adecuadamente protegido contra la corrosin. El conductorpuede ser slido o cableado con cubierta o desnudo y debe serinstalado en un solo tramo, sin uniones o empalmesintermedios.

TABLA 11CORRIENTE PERMISIBLE EN LOS CONDUCTORES A TIERRA, CON UNA

TEMPERATURA FINAL DE 150 C.

Mxima corriente admisible en amperiosSeccin enmm2 Conductores de

aceroConductores de

aluminioConductores de

cobre35 - 200 25050 100 250 35070 175 - -

100 200 - -200 300 - -

A. Conectores y sus AccesoriosLos conectores son lo elementos encargados de unir a la red

o sistema de tierra las tomas. Los utilizados en los sistemas detierra son principalmente de tres tipos:

Conectores atornillados Conectores a presin. Conectores soldados

Los conectores, independientemente de su tipo, deben podersoportar la corriente de la red de tierra en forma continua. Losconectores de tipo atornillados, se fabrican en materiales como

bronce con alto contenido de cobre, y formando dos piezasque se unen por medio de tornillos. Cuyo material es de

bronce con alto contenido de silicio, lo que le aporta una granresistencia a la corrosin y de tipo mecnica. El bronce se

utiliza, especialmente porque es un material no magntico, proporcionando una conduccin segura de las descargasatmosfricas, que son de alta frecuencia. En la figura 3, se

pueden observar algunos tipos de conectores atornillados.

Fig. 3. Conectores tipos atornillados

Por otra parte, los conductores a presin son econmicos yseguros (siempre que sean apretados con la fuerza necesaria),

por lo que se usan muy frecuentemente, proporcionando unbuen contacto y una buena relacin costo beneficio.

Fig. 4. Conectores tipo a presinLos conductores soldados (cadweld) son los ms

econmicos y seguros, por lo que se utilizan con granfrecuencia.

Fig. 5. Tipos de soldaduras, conductor a conductor

Fig. 6. Soldaduras tipo conductor a estructuras

Fig. 7. Tipos de Soldaduras de Conductor con la Barra

VII. CONFIGURACIN DE REDES DE PUESTA A TIERRA

A continuacin se explicaran las disposiciones bsicas delas redes de tierra.

A. Disposicin en Forma Radial:Este tipo de disposicin o de toma consiste en uno o varios

electrodos a los cuales se le conectan las derivaciones a cadaequipo. La toma de tierra en forma radial, es el ms barato

pero menos satisfactorio de las puesta a tierra, ya que al

producirse una falla en un equipo, se producen elevadosgradientes de potencial; esto se debe a que si el grupo deelectrodos se encuentran localizados lejos de la barra comn,la longitud de la lnea de conexin a tierra y la distancia entrecualquier grupo de estructura y electrodos puede serexcesivamente grande, presentando una alta impedancia, aun

pueden atenuar la corriente de falla a tierra. La disposicin detierra de tipo radial, es de utilidad en algunos casos donde seencuentra condiciones de terrenos difciles. (Por ejemplo:capas rocosas superficiales). Mediante la instalacin de gruposde electrodos y su conexin a la barra comn a travs deconductores de gran calibre, se puede incrementar laconfiabilidad en este sistema de aterramiento.

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B. Disposicin en Forma de Bucle, Lazo o Anillo:En algunas ocasiones se suelen crear la toma de tierra en

forma de lazo, la cual consiste en utilizar el propio conductorde puesta a tierra, para crear un lazo cerrado, ya sea en formacircular, rectangular, etc. Este mtodo resulta sumamenteeconmico, ya que no involucra el uso de otros electrodos. Elsistema de lazo o anillo se construye simplemente colocandoen forma de lazo o anillo un cable de suficiente calibre (100mcm) alrededor de la superficie ocupada por el equipo o lasubestacin, y conectando derivaciones a cada aparato,mediante un cable de calibre menor (500 mcm o #4/0 AWG).Este sistema es sumamente econmico y eficiente, adems enel se eliminan grandes distancias de descarga a tierra delsistema radial.(Ver Figura 8).

Fig. 8. Disposicin en Forma de Anillo.En la conexin en anillo como la longitud de conexin entre

la estructura y el anillo es relativamente corta y por causa delos numerosos pasos de conexin en paralelo, la resistenciaefectiva de todas las conexiones a tierra es menor. Por otra

parte la multiplicidad de pasos minimiza la posibilidad de quetodas las conexiones de tierra fallen al mismo tiempo esestrictamente remota. El calibre del conductor para lossistemas en anillo segn Rall (1987), es cable de cobre de1000 mcm.

C. Disposicin en Forma de Estrella:La toma de tierra en forma de estrella, consiste de

conductores radialmente distribuidos en tono a un puntocentral, por lo general se trata de una estrella de seis puntas, enla cual la separacin entre conductores ramificados no debeexceder los 60o. El aumento del nmero de las ramas de laestrella apenas contribuye a la disminucin de la resistencia dela toma.

Fig. 9. Disposicin en Forma de Estrella

D. Disposicin en Forma de Estrella en Lazo:Esta disposicin consiste en utilizar una configuracin de

toma en forma de estrella, cuyos extremos de la ramificacionesson cerradas mediante un conductor que forma el lazo o bucle.

Fig. 10. Disposicin en Forma de Estrella en Lazo

E. Disposicin en Forma de Red en Malla:La puesta a tierra en forma de malla, es un sistema de

conductores enterrados y un nmero de interconexiones entreellos. Esta toma consiste en una malla metlica, por lo general,rectangular. En este sistema se crea la malla formada porcables de cobre, con electrodos de puesta a tierra generalmenteconectadas entre las intersecciones de los cables que forman lared. Los equipos y estructuras que se conectan a la malla en el

punto ms cercano y el nmero de pasos en paralelo entre unterminal dado y los electrodos de tierra resulta ser un caminode alta conductividad y baja resistencia.(Ver figura 11)

Fig. 11. Disposicin en Forma de Malla

Este sistema es actualmente el ms utilizado en todaVenezuela, por ser el ms eficaz, pero tambin resulta ser elms caro de todos los nombrados anteriormente. Segn Siegert(1996), la malla de puesta a tierra en las subestacionesconvencionales, alcanza una extensin apreciable. Ennumerosas mediciones de conexiones a tierra realizadas enVenezuela, se ha podido apreciar que la resistencia de puesta atierra de estas mallas difcilmente excede los 2.

El CEAC, establece que de dimetro o la longitud del mayorlado de la superficie de la malla no debe sobrepasar los 20m.De igual forma para el montaje de tomas de tierra en anillo,

estrella o mallas, se emplea frecuentemente el cable de acero,o de hierro galvanizado de 100 mm2 de seccin mnima y 3mm de espesor mnimo. Algunas veces, se emplea tambin elacero cableado, con seccin mnima de 50 mm2, la cinta decobre con seccin mnima de 50 mm2 u espesor mnimo de3mm y, finalmente, conductor desnudo de cobre de 35 mm2 deseccin mnima. El autor Rall (1987), recomienda comocalibre mnimo el #4/0 AWG de cobre con electrodos devarilla Copperweld.

Algunas de las razones para usar la combinacin de varillasverticales y conductores horizontales son los siguientes:1. En subestaciones un solo conductor es, por si solo,

inadecuado para proveer seguridad al sistema de tierra. Encambio, cuando varios conductores, son conectados losunos a los otros y todo el equipo de neutro y estructurasson colocados a tierra, el resultado es esencialmente unarreglo de malla que asegura un buen SPAT.

2. Si la magnitud de la corriente disipada en tierra es alta,raramente es posible instalar una malla con resistencia tan

baja como para asegurar que el pico del potencial de tierrano genere en la superficie gradiente para poner en peligro alas personas. Entonces, el peligro puede ser eliminado solo

por el control del potencial local a travs del rea entera.Un sistema que combina conductores colocadoshorizontalmente (malla horizontal) con un nmero de

varillas verticales, ambos enterrados en el suelo, posee las

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siguientes ventajas: Una malla horizontal es ms efectiva porque reduce el

peligro de la tensin de paso y de toque en la superficie dela tierra, con tal que la malla se instale a una profundidad

pequea, comnmente 0,3 a 0,5 m (12-18 pulgadas) debajo

del suelo, suficientes varillas o electrodos de tierra puedenestabilizar el rendimiento del sistema.

Las varillas que se penetran en el suelo con baja resistenciason mucho ms efectivas para disipar la corriente de falla.

Si las varillas son instaladas predominantemente a lo largodel permetro de la malla, en suelo uniforme o no, lasvarillas moderaran considerablemente el incremento degradiente superficial cercano a la periferia de la malla.

Como cita La Norma de Presentacin de Proyectos deSubestaciones de Transmisin Sistemas de Puesta A Tierra deCADAFE.(1992). Pg. 11.

La Malla de Tierra: Es el conjunto de elementos

conductores, que enterrados en el suelo de la subestacin,permite disipar a travs de ella, corrientes de cortocircuito atierra del sistema de potencia y controlar gradientes de

potencial en la superficie del suelo. En esta malla de tierradeben estar conectados todos los equipos de la subestacin,

para que en caso de que se energice cualquiera de ellos, estapueda disipar las corrientes peligrosas , por todo el suelo de lasubestacin. La malla puede estar compuesta por cablesdesnudos de cobre trenzado o copperweld, cinta de cobre o untubo de cobre flexible y por electrodos. Y tambin pueden serconectados a electrodos tipo varilla o qumicos, a fin de lograruna disminucin de la densidad de corriente en el conductor yas obtener una baja diferencia de potencial, durante lasdescargas sbitas a tierra.

El conductor ms usado comnmente es el cable de cobretrenzado cuya seccin queda determinada por la mximacorriente de falla que se prev. La seccin mnima (tamao) destos conductores est establecida por el Cdigo Elctrico

Nacional en los Artculos 250-93,94 y 95. Se usangeneralmente para subestaciones o estaciones de generacin

para proveer superficies equipotenciales con voltajes de toquey paso (estos conceptos se definirn mas adelante) no

peligrosos a travs de toda el rea de la subestacin, all se justifica su alto costo. La configuracin bsica de una mallaconsiste en conductores enterrados horizontalmente a una

profundidad que usualmente varia de 0,5 a 1,0 m. formandouna red de cuadrados y rectngulos.

El cable que forme el permetro exterior de la malla debe sercontinuo de manera que encierre toda el rea en que seencuentra el equipo de la subestacin con ello se evitan altasconcentraciones de corrientes y gradientes de potencial en elrea y terminales cercanas. En cada cruce de conductores de lamalla, stos deben conectarse rgidamente entre s y en los

puntos adecuados deben conectarse a electrodos de tierra de2,4 m de longitud mnima, clavados verticalmente. Los cablesque conforman la malla deben colocase preferentemente a lolargo de las hileras de estructuras o equipos para facilitar la

conexin a los mismos.Para saber la seccin del conductor de la malla y las

derivaciones a equipos y estructuras se utiliza la NormaPresentacin de Proyectos de Subestaciones de TransmisinSistema de Puesta a Tierra de CADAFE.(1992) Pg. 21, queespecifica lo siguiente:

La seccin del conductor de la malla principal y de las

derivaciones a equipos, ser determinada de forma de noexceder la mxima temperatura recomendada para los puntosde conexin, cuando por ellos fluya la mxima corrienteesperada de cortocircuito franco a tierra, durante el tiempomximo de despeje de la falla. El clculo de la seccinadmisible del conductor ser realizado en base a los

procedimientos y recomendaciones de la ltima versin deldocumento ANSI/IEEE Std. 80. Las conexiones a equiposefectuados con dos o mas conductores, sern dimensionadasde forma que uno solo de ellos, debe satisfacer lo antes

prescrito. Solo se admitir que el conductor de una derivacina equipo sea de una seccin menor a la del conductor de la

malla principal, cuando el equipo en cuestin se a de bajatensin. En este caso, el conductor podr ser dimensionado enbase al nivel de cortocircuito y tiempo de despeje de la fallacorrespondiente. En subestacin donde existan varios patios oniveles de tensin, podrn utilizarse distintas secciones deconductores para la malla de tierra y derivaciones a equipos decada patio, determinadas en base a la corriente y tiempoaplicable a cada caso. La malla y derivaciones a equiposasociados a dos niveles de tensin, sern determinadas en basea las condiciones pesimistas. En lo que respecta a la geometrade la malla se utiliza la misma norma antes menciona, la cualespecifica lo siguiente:

La malla de tierra ser diseada de forma de satisfacer el

compromiso de minimizar la cantidad de conductor,conexiones, excavaciones, bote, relleno, sin que los voltajes detoque y paso que puedan presentarse para las condiciones dediseo, excedan los correspondientes valores.

La disposicin mnima, es la que permite un fcil y cortocamino a las ramificaciones de la malla a los equipos.

El espaciamiento entre conductores ser preferiblemente deforma irregular, de forma de compensar el efecto de ladistribucin no uniforme de la corriente entre los diferentesconductores de la malla y por lo tanto optimizar el diseo.

El amplo uso de la malla de tierra es debido a las siguientesventajas:

En los sistemas donde sea muy alta la mxima corriente atierra, raramente es posible obtener una resistencia tierratan baja como para que garantice que el alza de potencialdel SPAT no alcance valores peligrosa para el contacto conlos humanos. En este caso el riesgo puede ser evitadosolamente controlando los potenciales locales mediante eluso de una malla a tierra.

En una subestacin de cualquier tamao, ningn conductorsencillo y corriente es adecuado para proveer laconductividad necesaria, pero cuando algunos de ellos sonconectados entre si a las estructuras, carcasas de lasmquinas y a los neutros de los circuitos conectados a

tierra, el resultado es una malla. Si esta malla de tierra esenterrada en un suelo de conductividad razonablemente

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buena, entonces dicha red proveer por s sola un excelentesistema de puesta a tierra. Es decir, un diseo que usemltiples conductores, puede requerir una red de conexinde manera que los conductores originales estn dems.

VIII. ELECTRODO DE TIERRAEl electrodo es el elemento del sistema de puesta a tierra

que conecta a la malla de tierra con la interfase facilitando elpaso de la corriente a tierra; por lo tanto un electrodo es todoelemento conductor en permanente contacto elctrico con elsuelo. Este puede ser en forma de varilla, cable, tubo, placa,cinta, tubera metlica de agua, o un semiconductor tal comoun bloque de carbn, una fundacin de concreto conductivo,etc. Segn La Norma Presentacin de Proyectos deSubestaciones de Transmisin Sistemas de Puesta a Tierra deCADAFE (1992).Pg.11 especifica los dos conceptos que sedefinirn a continuacin como:

Electrodo de Puesta a Tierra: es todo elemento conductor,de cualquier configuracin y dimensiones, queintencionalmente sea enterrado en el suelo para dispersarcorrientes elctricas a ste.

Barra de Tierra: es un electrodo de puesta a tierraconstituido por una o mas barras de acero de alta resistenciamecnica, cobrizada por electrodeposicin. En caso de que lamalla de tierra sea construida con guaya de acero, las barras detierra son de acero inoxidable.

Como se puede notar en esta norma el electrodo de tierrapuede ser toda la malla, incluyendo las barras de tierras queestn unidas a ella, o sea es todo el sistema de puesta a tierra

que se encuentren debajo de la tierra. En este articulo dedenominara a las Barras de Tierra como Electrodos de Tierra, para evitar confusiones mas adelante. Los electrodos que seutilizan comnmente son: varilla metlica, tipo placas, barrasqumicas y fundaciones de concreto conductivo.

A. Varilla MetlicaLa varilla es la forma ms comn de electrodo de tierra, ella

se coloca mayormente en forma vertical y su valor tildepende de su habilidad de hacer un contacto con la interfase,sin intentar cambiar el ambiente de la misma. Hay dosvariables que deben considerarse: la longitud y el dimetro; deellos depender el valor de la resistencia de contacto, siendo

esta ltima inversamente proporcional a esa rea de contacto.Para el paso de la corriente a la tierra, se hace necesariodisponer de una seccin suficientemente grande, ya que laresistencia de paso de un conductor metlico a tierra, noresulta de un efecto de resistencia de la superficie delimitacin o contacto, sino ms bien, de la resistencia dedifusin de la corriente en el terreno. Es importante mencionarque el drenaje o difusin de la corriente en la tierra depende dela forma de la toma, el valor de su superficie, y la resistividaddel terreno. El drenaje o difusin de la corriente por la tierraocasiona una cada de tensin en el mismo, que dependeesencialmente de la resistividad. Experimentalmente se hademostrado que la cada de tensin entre una varilla de tierra yun punto de tierra durante la difusin de corriente, es mxima

en la vertical de la varilla de tierra y va disminuyendo amedida que aumenta la distancia radial desde la varilla detierra, a unos 20 metros de dicha varilla resulta de un valordespreciable. La consecuencia de esto es la formacin de unembudo de tensin, en las zonas prximas a la toma de tierra.

El mecanismo experimental para construir el embudo detensin, es inyectar a una varilla de tierra una corriente, y semide la cada de tensin metro a metro con un voltmetro yuna sonda, estos valores se llevan a una curva equipotencial.Generalmente las varillas son fabricadas de acero al carbonorecubierto de cobre, acero galvanizado, acero inoxidable,

bronce, cobre; siendo la primera de stas las ms utilizadas,con una longitud de 2,4 mts y debe instalarse de tal modo que

por lo menos 2,4 mts este en contacto con la tierra, dimetrode 20 mm y espesor de cobre de 250 mm. Este espesor es elque exige la norma de CADAFE como espesor mnimo.

Fig. 12. Embudo de Voltaje, para una Varilla de Tierra.

Fig. 13. Superficie Equipotencial, para una Varilla deTierra.

Fig. 14 Embudo de Tensin para Cuatro Varillas de Tierra.

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En la Figura 15 se muestran las diferentes posiciones que pueden colocarse las varillas de tierras. Estos electrodos seaplican al suelo mediante percusin hasta que alcanza la

profundidad adecuada. En casos de terrenos rocosos, lasvarillas no pueden introducirse de esa manera; se doblan o

solamente no pueden entrar. Se han conocidos casos donde lasvarillas han sido regresadas hacia la superficie despus dehaber tratado de clavarlas en terrenos rocosos. Cuando la rocaest a menos de 2,4 m, estos electrodos pueden ser colocadosen forma diagonal hasta con un ngulo de 45 de la vertical.Pero, si as no es el caso, se deben enterrar horizontalmente enuna zanja abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lomenos. La alternativa al golpeado es perforar un agujero,instalar la varilla y rellenar nuevamente el agujero.

Fig. 15. Diferentes Posiciones de La Varillas

B. PlacasLas placas son electrodos en forma de lminas con longitud

y ancho mucho mayores que su espesor, ofreciendo una gransuperficie de contacto con el suelo. Ellas son usualmente decobre, acero o hierro, y normalmente se disean con unasuperficie de contacto con el suelo de por lo menos 0,2 m2.

Para el acero o hierro el espesor mnimo debe de ser de 6,35mm y para el cobre o los electrodos de material no ferroso esde 1,5 mm. La diferencia en el espesor de cada tipo de materiales debido a la capacidad del mismo a resistir la corrosin yest dado por el CEN. Art. 250-83.d.

Fig. 15. Electrodo Tipo Placa

C. Barras QumicasCuando la resistividad del suelo no se logra reducir usando

tecnologa convencional la cual consiste en barras copperwelddirectamente enterradas, se utilizan las barras qumicas queconsisten en tubos de cobre electroltico de 67 mm, dedimetro exterior y de espesor 2 mm. (existen diversosdimetros, pero este es uno de los mas utilizados), en cuyointerior est relleno de compuestos qumicos, bsicamente desales que se incorporan lentamente a la interfase a travs deorificios en el tubo. Estos tubos pueden ser colocados deacuerdo a su diseo en forma vertical u horizontaldependiendo de las caractersticas del suelo.

D. Fundaciones de Concreto ConductivoCuando se trata del diseo de subestaciones, el concreto

puede ser utilizado como electrodo principal. Esto consiste enagregar al concreto de las bases de cualquier estructura,compuestos qumicos que lo hacen conductor, quedando deesta forma aterrada la estructura. Por su costo este sistema seutiliza casi exclusivamente para prevenir el robo de cobre.

IX. HISTORIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

En 1956, un grupo, bajo la presidencia del Sr. Richard f.Stevens, empez una investigacin, que con el futuro llevo a larealizacin de AIEE-80 en 1961. El primer trabajo de estegrupo era determinar que informacin tcnica ya se haba

publicado sobre la puesta a tierra de las subestaciones. Con loque encontraron que exista una gran cantidad de informacinindependientes o sea trabajos aislados. Era tarea del grupocombinar esta informacin en un documento.

Uno de los papeles que mas tempranos se publico fue en1936, el cual trataba de colocar a tierra los electrodos, fueescrito por H. B. Dwight de MIT. En este documento se dieronformulas para los clculos de uso practico, de la resistencia deelectrodos de tierra, junto con ejemplos para mostrar sus usos.Muchas de las ecuaciones que Dwight presento paraelectrodos simples, con una sola barra, dos barras en paralelo y

para cables enterrados horizontalmente, todava son la base deaplicaciones modernas.

En 1941, se publico, por el profesor J. R: Eaton, lasdiferentes resistencias con respecto a la naturaleza de la tierra,la resistividad en tipos diferentes de tierra y los efectos de la

sal, temperatura y humedad. Toda esta informacin era unaacumulacin del papel tcnico que habra realizado el Sr. O. S.Peters, publicado en 1918, y un mtodo para medir laresistividad del terreno publicado por F. Wenner. Los dosltimos seores conectaron con tierra dos barras, tres barras, ycuatro barras. El mtodo de Wenner de cuatro electrodos paramedir la resistividad del terreno, todava es ampliamenteutilizado. El segundo papel de Eaton, all se extendi lasformulas de Dwight a las aplicaciones mas practicas. En eltercer papel, discuti el alza de los voltajes en la subestacin yexplico el fenmeno de las diferencias de potenciales en lossistemas de puesta a tierra. Eaton enfatizo, sobre el uso de

barras de tierras para bajar la resistencia, y el uso deconductores horizontales para minimizar las pendientes de

potenciales. Despus existieron tres papeles, el primero deellos lo publico Reinhold Rudenberg en 1945, considerandolos problemas cientficos relacionados con la conduccin delas corrientes a travs de la tierra, y el tambin fue el primeroen explicar el comportamiento de las barras en el suelos endiferentes estratos. Y de esta manera han ido apareciendo lasdiferentes teoras de los distintos cientficos, para irevolucionando y mejorando los SPAT.

Con todo esto se puede observar que cada una de lasformulas y mtodos de medicin que se nombraran acontinuacin han sido elaboradas y mejoradas durante el

transcurso de los aos por notables cientficos, por lo que aqu

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no se pretender explicar el origen de estas, si no que solosern utilizadas segn sus especificaciones.

X. MEDICIN DE RESITIVIDAD DEL TERRENO

A. Mtodo de los dos ElectrodosCon este mtodo se realizan mediciones aproximadas sobre

pequeos volmenes de suelo homogneos, utilizando paraellos dos (2) pequeos electrodos de hierro. Uno de loselectrodos es ms corto que el otro, y se conectan a una bateraa travs de un miliampermetro. El terminal positivo de la

batera se conecta a travs del miliampermetro al electrodoms pequeo y el terminal negativo al otro electrodo, tal comose muestra en la Fig. 16.

Fig. 16. Mtodo de los Dos (2) ElectrodosEn este arreglo, similar al medidor de resistividad tipo

Shepard, el miliampermetro puede ser calibrado para leerdirectamente Ohmios-Centmetros al voltaje nominal de la

batera. La ventaja de este mtodo es que la medicin serealiza fcilmente, pero su aplicacin esta limitada a pequeosvolmenes de suelos, enterrando los electrodos en el terreno,en las paredes o en el fondo de las excavaciones.

B. Metodo de los cuatro ElectrodosEste consiste en inyectar corrientes a travs de dos (2)

electrodos externos y medir la tensin o cada de potencialentre los dos (2) electrodos internos. Todos los electrodosestn alineados y enterrados a una misma profundidad b,como se pude observar en la Fig. 17.

Fig. 17. Mtodo de los cuatro electrodosEntre los electrodos A y B se inyecta una corriente I, y entre

C y D se mide la diferencia de potencial. Si la profundidad bes muy pequea, en comparacin a la separacin entreelectrodos (a b), puede suponerse una distribucin radial decorriente y electrodos puntuales y adems se suponehomogeneidad o uniformidad del terreno, entonces laresistividad en trminos de unidades de longitud es dada por laecuacin de B. Tajar y E. T. B. Gross:

=

4321

1-

1-

a

1-

1

1

I

V2

aaa

Actualmente existen muchos instrumentos que la lectura es

en ohmios directamente, entonces la resistividad del suelo sepuede calcular tambin por la ecuacin:

=

4321 a

1-

1-

a

1-

1

1R2

aa

En la prctica, como los terrenos no son uniformes, el valorque se obtiene con la primera ecuacin es ficticio y nocorresponde, en general, a ninguna de las resistividades

presentes en el terreno bajo estudio. Entonces para determinarla constitucin del terreno investigado es necesario tenerdiferentes separaciones entre electrodos, con el objeto de

lograr lecturas a lo largo o a travs de las diferentescomposiciones del terreno investigado y poder conseguir asun promedio de la resistividad. Esto trae como consecuenciasvariaciones del mtodo antes descrito, lo que conlleva aconfiguraciones clsicas de acuerdo a la ubicacin relativa delos electrodos en el terreno, cada una de ellas con ligerasventajas y desventajas de un mtodo sobre otro.1) Configuracin Wenner o Distanciamiento Igual EntreElectrodos

Este es el mtodo mas utilizado. En este arreglo, loselectrodos se ubican sobre una lnea recta con una separacinentre los electrodos de a y enterrados a una profundidad de b,como se ilustra en la Fig. 18.

Fig. 18. Configuracion de WennerRa2 =

Con un cierto numero de lecturas, tomadas a diferentesseparaciones entre electrodos, se van a obtener varios valoresde resistividad, que s se grafica la resistividad versus

separacin de electrodos, se podr obtener una indicacin de lacomposicin del terreno y da una idea de su correspondienteresistividad. Para una mayor exactitud en la determinacin dela resistividad del terreno la ecuacin mas recomendada es laque se muestra a continuacin, la cual no asume el valor de bcomo cero, sino que por el contrario lo toma como influyenteen el resultado de la prueba.

2222 4

21

4

ba

a

ba

aRa

+

+

+

=

La determinacin de la resistividad utilizando el mtodo deWenner resulta en una resistividad aparente que es funcin de

la separacin entre electrodos a y de la profundidad de

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enterramiento de los mismos b, sin embargo para un resultadomucho mas preciso y expresado en trminos de otros

parmetros relacionados, la resistividad aparente del terrenovendr dada por la expresin que sigue a continuacin:

+

+

+=

=1n

n

2

n

1

a

hn24

K-

a

hn21

K41(a)

y adems:

( ))(

-

12

12

+=K

2) Configuracin SchlumbergerPalmer o SeparacinDesigual Entre Electrodos Adyacentes

Con el mtodo de Wenner, la cada de potencial entre loselectrodos de tensin disminuye rpidamente cuando suseparacin se aumenta a valores relativamente grandes, y losinstrumentos comerciales resultan inadecuados para mediresos valores bajos de tensin. Por ello, cuando es necesariorealizar mediciones de resistividad en donde se requierengrandes separaciones entre los electrodos de corriente, seutiliza la configuracin de SchlumbergerPalmer, el cualconsiste en colocar los electrodos en lnea rectasimtricamente con respecto a un centro de medicin elegido.Los electrodos de potencial permanecen fijos con unadistancia de 1 a 3 metros trasladndose solo los de corriente,en este caso:

Fig. 19. Configuracin Schlumbergera1)(nnR

En esta configuracin se toma generalmente a = 1m,siempre y cuando el valor del voltaje sea lo suficientementegrande para no producir errores en la medicin.3) Configuracin Participacin de Lee

Este es un mtodo complementario a los mtodos Wenner,Schlumberger para determinar posibles variaciones laterales enel terreno a medir. En el empleo de cualquiera de los dos (2)mtodos antes descritos, se adiciona un electrodo auxiliarintermedio entre los dos (2) electrodos de potencial, tal comose muestra en la Fig 20.

Fig. 20. Configuracin Participacin de Lee

XI. MEDICIN DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA

A. Mtodo de los Tres ElectrodosEste mtodo consiste en medir la resistencia serie que

ofrecen dos electrodos a la vez al paso de una corriente

alterna, de un conjunto de tres electrodos donde uno esta bajomedida y los otros dos son auxiliares, utilizando cualquiera delas formas conocidas para medir resistencias (ampermetro,voltmetro, ohmmetro, puente de Wheatstone, etc); este arreglose muestra en la Fig. 21 a cual se permite calcular laresistencia de puesta a tierra.

Fig. 21. Medida de Resistencia de Puesta a Tierra por Mtodode Tres Puntas

( )321X RRR21

R ++=

B. Mtodo de Cada de PotencialEste mtodo consiste en la colocacin de dos electrodos

auxiliares en lnea recta con el electrodo que se desea medir, a

una distancia entre los electrodos extremos con tal de que nose solapen sus interfases, tal como se muestra en la Fig. 22.

Fig. 22. Medida de la Resistencia de Puesta a Tierra por elMtodo de Cada de Potencial

Si se inyecta una corriente por los electrodos extremos ymedimos la cada de potencial entre el electrodo central y elque se desea medir, se obtiene una resistencia; ahora si sedesplaza el electrodo central en esta lnea recta se observacomo vara la resistencia; en el punto donde la variacin es

mnima la cual ocurre aproximadamente a 63% del electrodo

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de medicin se encuentra el valor de resistencia del sistema depuesta a tierra.

Para el calculo de la resistividad de un SPAT existendiferentes ecuaciones o combinaciones de ellas que seencuentran ya tabuladas para los diferentes tipos de electrodos,

estas ecuaciones se encuentran definidas por el estndar 142-1991 de la IEEE y se pueden observar en la Tabla 12.

TABLA 12FORMULAS PARA EL CLCULO DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA DE

ELECTRODOSHemisferio de

radio a a2R

=

Una barra detierra de

longitud L,radio a.

= 1-

a

4LLn

L2R

Dos barras detierra s>L,

espaciadas s.

++

=

4

4

3

2

s5

L2

s3

L-1

s41-

a

4LLn

L2R

Dos barras detierra s

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mediciones no son nombradas y por ende no son especificadas por las normas de CADAFE, Estas formas de realizar lacomprobacin de la malla de tierra son poco conocidas porestas empresas, pero la Electricidad de Caracas a utilizadomucho mas estos mtodos, por lo que los recomiendan

ampliamente.En 1982 en las III Jornadas Nacionales de Potencia, los

ingenieros German Garca y Pedro Maninat M., en su papeldenominado Medicin de Resistividad del Suelo y Resistenciade Puesta A Tierra en Subestaciones nombraron y explicaronestos dos mtodos, y comentaron que siempre existir lanecesidad de conocer mtodos de medicin que proporcionenresultados suficientemente exactos que permitan tomardecisiones rpidas y acertadas sobre las acciones a tomar.Tambin dicen que la base de todos los mtodos de medicinde una resistencia de puesta a tierra consiste en inyectar unacorriente conocida y al mismo tiempo medir la elevacin del

potencial de la malla. Sin embargo, estas mediciones sondifciles de llevar a cabo en el campo.Despus en las IV Jornadas Nacionales de Potencia

realizadas en 1986, los ingenieros Joffre Carmona S. y BeatrizGonzles P., pertenecientes a las empresas ERIPE.C.A y E. deC., respectivamente, en su papel denominado Mediciones enCampo del Gradiente de Potencial en Mallas de Tierra deSubestaciones, utilizaron el mtodo de inyeccin de altascorrientes para comprobar los parmetros de la malla de tierrade varias subestaciones que pertenecen a la Electricidad deCaracas, y especifican muy claramente los materiales yequipos utilizados para estas pruebas.

A continuacin se especificaran muy claramente estos dos

mtodos de medicin:1) Mtodo de Inyeccin de Altas Corrientes

Este mtodo es el ms confiable para determinar laresistencia (impedancia) de puesta a tierra de subestacionesgrandes. Tambin es til en el caso de los apoyos de lneas detransmisin y de distribucin. Sirve de igual manera paramedir los posibles voltajes peligrosos dentro y fuera de esossistemas. Consiste en inyectar una corriente de prueba alsistema de tierra de la subestacin, teniendo una lnea areaconectada a un electrodo auxiliar ubicado en una tierra remotala cual cierra el circuito. El alza de potencial de la subestacinse mide por medio de un voltmetro, utilizando un electrodo

auxiliar de potencial suficientemente alejado de la subestacin.Algunos autores recomiendan alejarse una distancia no menorde 12 veces el radio equivalente del rea de la subestacin.Otros recomiendan 5 a 10 veces la mxima dimensin de lasubestacin.

La subestacin mas cercana suele escogerse como electrodoauxiliar de corriente, y si esta se encuentra muy cercana o muylejana de la subestacin bajo prueba puede utilizarse una torrecon baja impedancia a tierra ubicada a una distancia adecuada.En este mtodo se inyectarn corrientes del orden de decenasde amperes. La inyeccin de altas corrientes se recomienda

para la medicin de resistencia de puesta a tierra desubestaciones ubicadas fuera de reas urbanas donde existen

probabilidades menores de que potenciales transferidos

afecten personas o equipos en reas vecinas. Es prcticamenteel nico mtodo que puede utilizarse en grandes subestacionesque no tengan en sus vecindades hilos telefnicos, ya que seutilizan subestaciones remotas, como electrodos auxiliares decorriente conectadas mediante las lneas de transmisin.

En general el mtodo proporciona, de manera directa, los potenciales de paso y toque en l rea de inters, as comotambin el porcentaje de corriente de falla que realmentecircula en la malla y el valor propio de la resistencia de lamalla que no es obtenido en los mtodos de bajas corrientesdebido a que con estos se determina la impedancia Theveninequivalente del sistema de puesta a tierra.

Descripcin del Mtodo de Inyeccin de Altas Corrientes

Como fuente de corriente se utilizar preferiblemente ellado de baja de un transformador monofsico dedistribucin. En serie con ste se puede colocar uncondensador cuyo valor se calcula para estar en resonancia

con la parte reactiva de la lnea; adicionalmente estecondensador filtra la componente continua del sistema, lacual puede causar saturacin del transformador.

El ampermetro y el voltmetro a utilizar deben estarsintonizados a la frecuencia de 60 Hz y proporcionarlecturas directas en valores RMS.

Como electrodo de corriente se utilizar la malla de tierrade una subestacin remota y la sonda de corriente sern lastres (3) fases colocadas en paralelo de la lnea queinterconecta la subestaciones.

El electrodo de tensin se ubicar a una distancia mnimade 12 veces el radio equivalente del rea de la subestaciny luego se harn 2 3 medidas adicionales a distanciasmayores para comprobar la estabilizacin de los valoresobtenidos.

Para eliminar la interferencia que puede tenerse por lapresencia de campos magnticos actuando sobre las sondasde tensin y corriente debe determinarse la corriente inicialIo y la tensin inicial Vo sin conectar la fuente dealimentacin. Luego se realizan dos medidas de voltaje ycorriente, conectando la fuente con polaridades que seinvierten en cada ocasin. En la Fig. 23 se puede observarcomo quedan conectados todos los equipos. La corriente yel voltaje de la malla de tierra se obtienen a travs de lasecuaciones:.

20

2b2am I-2

III += 20

2b

2a

m V-2

VVV

+= Donde:

m

meq I

VR =

El ngulo de la impedancia de puesta a tierra puededeterminarse directamente, mediante la medicin de

defasaje entre Vm y Im. Si se desea conocer realmente el porcentaje de corriente

dispersa en la malla se deben medir las corrientes en los

cables de guarda de todas las lneas conectadas a la

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subestacin.Entonces:

n1

guardadecablemmalla I-II

Este valor debe ser muy cercano al calculado durante el

diseo de la malla de tierra.

Fig. 23. Mtodo de Inyeccin de Altas Corrientes S se desean efectuar las mediciones de potenciales de paso

y de toque, al mismo tiempo que se realizan la medicionesde la resistencia se deben efectuar medidas como lasindicadas en la Fig. 24. Siendo los. electrodos auxiliares detensin placas de cobre con el peso equivalente de unoperador sobre ellas. Las mediciones deben ser efectuadas

utilizando la resistenciaRc, en caso de no ser as, se estarmidiendo la cada total entre la resistencia de contacto y elcuerpo humano.

Fig, 24. Medicin de Potencial de Toque y Paso Para determinar los valores reales de potenciales de toque y

paso se multiplican los valores obtenidos por la razn entre

IIf mmax.

Los ingenieros Joffre Carmona S. y Beatriz Gonzlez P.,enla aplicacin de este mtodo para determinar el gradiente de

potencial utilizaron un esquema de conexin un tantodiferente, como se puede ver en la figura XX. En este tipo deconexin los equipos utilizados fueron: Un (1) transformadorde distribucin, Un interruptor, Un seccionador de puesta atierra, Un ampermetro convencional tipo teneza, Unvoltmetro de alta impedancia, Disco de cobre de 10 cm. de

dimetro, Disco aislador convencional, Materiales varios;

cables, conectores, herrajes, herramientas, etc.En las pruebas realizadas por los ingenieros nombrados en

el prrafo anterior en algunas subestaciones pertenecientes a laElectricidad de Caracas, se ha puesto en evidencia que lasrazones principales por las cuales este tipo de prueba no ha

sido adoptada como procedimiento rutinario en lacomprobacin de la malla de tierra, podran ser atribuidas a lossiguientes factores: Desconocimiento del mtodo. Complejidad en la logstica previa a la medicin. Dificultades de disponer de lneas de transmisin o

distribucin en sistemas en operacin, para el caso deinstalaciones en servicio.

Costo elevado con respecto a al practica de solo medirresistencias a tierra.

Es recomendable que en toda instalacin nueva o enservicio, en la cual se sospeche que pudiesen existir

condiciones peligrosas de transferencias de potenciales,voltaje de toque y de paso, se realicen mediciones similaresa las antes descritas.

Fig. 25. Mtodo de Inyeccin de Altas Corrientes2) Mtodo de Inyeccin de Bajas Corrientes

Se aplica cuando la componente reactiva de la corriente enla impedancia de tierra o incremento de la resistencia a.c.sobre la resistencia d.c. se torne significante (ocurre cuando laimpedancia de tierra es menor que 0,5 m), o cuando existe unalto voltaje residual del sistema de tierra respecto a una tierraremota, producido por corrientes del sistema de potencia en

desbalance. Para solventar estas dificultades se handesarrollado tcnicas medicin usando corriente de prueba ena.c. a frecuencias diferentes de la del sistema de potencia y/ode sus armnicas, adems de un detector selectivo defrecuencias; esto permite hacer las mediciones confiables enlas situaciones expuestas.

En este mtodo se inyectan corrientes que van desde los pocos miliamperios, hasta los cientos de miliamperios,dependiendo del tipo de instrumento utilizado. En general serecomienda usar dicho mtodo en las mediciones deresistencia a tierra de mallas en subestaciones construidas en elrea urbana, a fin de evitar posibles potenciales transferidos,los cuales son peligrosos para las personas cercanas al rea dela subestacin.

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XII. DISEO DE LA MALLA DE TIERRA

A. Calculo de la Resistencia de la MallaPara el calculo de la resistencia de la malla a tierra existen

diversos mtodos que dependiendo de ciertas condiciones

pueden dar de una manera aproximada un valor cercano al realde la malla de tierra de una subestacin elctrica. Un mtodosimple empleado por Laurent y Nieman, el cual esrecomendado por el estndar 80 de la IEEE, utiliza para estecalculo una modificacin de la ecuacin del electrodo enforma de plato circular, sumndole un segundo termino,quedando la expresin de la resistencia de la malla de lasiguiente manera:

Lr4R

+ R = Resistencia de la malla, en . = Resistividad

promedio del suelo, en .m. L = Longitud total del conductor

enterrado, en m. r = Radio de un circulo con igual rea que esocupada por la instalacin de puesta a tierra El segundotrmino de la expresin indica que la resistencia de una mallaes mayor que la de un plato slido, y que esta diferenciadecrece cuando la longitud del conductor aumenta. Sinembargo, la resistencia de la malla de tierra determinadamediante la ecuacin anterior es una aproximacin bastantegeneral puesto que no toma en cuenta factores como porejemplo la longitud efectiva del conductor de la malla de tierraque esta en existencia actualmente, por tanto para ladeterminacin de la resistencia de la malla de tierra de unasubestacin cuando no se conoce de la existencia de electrodoso varillas de tierra y para mallas enterradas a una profundidadde entre 0,25 y 2,5 m; es necesario que se tome en cuenta unfactor por la profundidad de enterramiento de la malla lo cualinfluir directamente en su resistencia de tierra, la utilizacinde este factor y de otros parmetros que influyen directamentesobre la resistencia de la malla lleva a la utilizacin de laaproximacin de Sveraks para la determinacin de laresistencia de la malla de tierra de una subestacin(recomendada por la IEEE) y la ecuacin a utilizar es entoncesla que sigue a continuacin:

A20h1

11

A20

1

L1

RG

Otro mtodo para determinar y evaluar el estado de unamalla de tierra, cuando se conoce la presencia de electrodos ovarillas de tierra es empleando el mtodo de Schwarz, que se

basa en la expresin siguiente:

R2-RR

R-RRR

122211

2122211

= Donde:

R = Resistencia de la malla de tierra. R11 = Resistencia delos conductores de la malla de tierra. R21 = Resistencia detodas las barras enterradas. R22 = Resistencia mutua entre elgrupo de electrodos y los conductores de la malla. De laecuacin anterior se tiene que cada uno de los parmetrosinvolucrados se calculan de la siguiente manera:

( )

2cond1condcond.11 K-A

LK

hd

L2Ln

LR

( ) + 1-nbA LbK21-dbLb8LnLbnb2R 2122 ( )

+

1K-A

LK

Lb

L2Ln

LR 2

cond1

cond

cond.12

K1 y K2 Son constantes que dependen de la relacin largo yancho de la malla, de la profundidad h, y en general puedeasumirse que sus valores son aproximadamente K1 = 1,4 y K2= 5,6.

B. Calculo para la Seccin del Conductor de la Malla deTierra

Los conductores de la malla de tierra deben disearse demanera que: Resistan la fusin y el deterioro de las juntas elctricas

bajo las ms adversas combinaciones de magnitud yduracin de las corrientes de falla.

Sean mecnicamente resistentes, especialmente en aquellossitios expuestos a grandes esfuerzos fsicos.

Tengan suficiente conductividad, de manera que nocontribuyan substancialmente a diferencias locales de

potenciales peligrosos.El conductor de cobre adecuado para la malla de tierra,

puede ser obtenido de la siguiente ecuacin desarrollada porOnderdonk y recomendada por la IEEE en su publicacin Std.80 de 1986:

+

=

Ta234Ta-Tm

1LogS33

1

IA

10

Donde: A = Seccin del conductor, en circular mil. I =Corriente RMS de cortocircuito, en amperios. S = Tiempo ensegundos, durante el cual la corriente I es aplicada. Es elmismo tiempo de despeje de la falla. Ta = Temperaturaambiente en grados centgrados (usualmente se usa 40 oC). Tm= Temperatura mxima permisible, en grados centgrados(usualmente se usa 450 oC para uniones de fusin y 250 oC

para uniones apernadas). En donde:

oior TTS + Donde: Tor = Tiempo de operacin del rel de tierra, en seg.Toi = Tiempo de operacin del interruptor en seg.Generalmente, la resistencia mecnica fija una seccin mnima

para los usos prcticos, utilizndose un conductor 4/0 de cobre

como mnimo para la malla de tierra y un conductor 2/0 decobre como mnimo para la puesta a tierra de los equipos yestructuras a la malla a tierra.

C. Calculo de las Tensiones de Toque y Paso TolerablesEn primer lugar se da las definiciones de tensin de toque

tolerable y tensin de paso tolerable:1) Voltaje de Toque Tolerable:

Es la mxima diferencia de potencial que puedeexperimentar una persona en contacto con un equipo aterrado,en el momento de ocurrir una falla. La distancia mxima paratocar un equipo supone que es mximo alcance horizontal, lacual se asume a un metro. (Ver Figura 25).

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Fig. 25. Voltaje de Paso

2) Voltaje de Paso Tolerable:Es la mxima diferencia de potencial que puede

experimentar una persona caminando en la superficie de lasubestacin en sus alrededores al momento de ocurrir unafalla, esta diferencia de potencial se toma entre dos puntosseparados a una distancia de un (1) metro. (Ver Figura 26).

Fig. 26. Voltaje de ToqueUno de los factores a tomar en cuenta en el diseo y

evaluacin de un sistema de puesta a tierra es el referente a losvoltajes de seguridad, ya que lo que est en juego es laseguridad de las personas, siendo necesaria en este caso lautilizacin de la puesta a tierra como un medio de proteccin,

de aquellas diferencias de potencial que pueden aparecerdurante las condiciones de falla a tierra.

Los voltajes de toque y de paso dependen directamente devarios parmetros entre los que podemos encontrar: lacorriente que circula a travs del cuerpo, su camino yduracin, la condicin de la piel, la impedancia interna delcuerpo, etc. siendo stos parmetros estadsticos asociados condistribucin de probabilidades, las cuales definen unadistribucin probable de voltajes.

Los estudios referidos en la IEEE-80 Captulo 4, realizadosen animales cuyo tamao del cuerpo y peso del corazn soncomparables a los del cuerpo de una persona normal, revelan

que el 99,5 % de las personas saludables pueden tolerar unacorriente a travs de la zona del corazn definida por Dalzielcomo:

tKIC = Donde Ic= Corriente Mxima RMS (A). K = Constante

(0,116 0,157 para una persona de 50 70 Kg.respectivamente). t = Duracin de la Corriente (seg.).

La norma recomienda el uso de K = 0,157, asumiendo un peso promedio de 70 kilogramos y un tiempo mximo deeliminacin de fallas de 3 segundos. En todo caso, prevalece el

juicio del evaluador para determinar el valor correcto a utilizardependiendo de las caractersticas del sitio de ubicacin de lasubestacin o el uso de dispositivos de proteccin de alta

velocidad. Adicionalmente, las pruebas indican que el corazn

requiere unos 5 minutos para retornar a su condicin normaldespus de experimentar un choque severo. Esto indica queaquellos sistemas de potencia con mecanismos de cierreautomtico tendrn un efecto acumulativo sobre la operacininadecuada del corazn. Se considera usualmente que para dos

cierres consecutivos, el tiempo a considerar ser el equivalenteal de un choque elctrico cuya duracin sea la suma de losintervalos de choque individuales.

Considerando los valores definidos por la ecuacin losvalores de voltaje VTT y VPT son:

CT

CTT I2R

RV

+

( )]t

KC1,51000V SSTT

( ) CTCPT I2RRV ( )]

t

KC61000V SSPT

Donde: t= Tiempo total de ocurrencia de falla, incluyendo

efectos acumulativos por recierres. Este tiempo debe sermenor a 0,5 segundo, segn la Norma de CADAFE, NS-P-360Especificaciones Tcnicas para el Sistema de Puesta aTierra. K = Constante basada en el peso del cuerpo (0,116 0,157). Rc= Resistencia tpica del cuerpo en ohms (1000).RT/2 =1.5Css = Resistencia de contacto de dos pies en

paralelo.2RT = 6 Css = Resistencia de contacto de dos pies enserie.

En los valores de resistencia de contacto definidos arriba ses el valor de resistividad del material superficial en lasubestacin. Segn la Norma de CADAFE, NS-P-360Especificacin Tcnica para el Sistema de Puesta a Tierra

define s como el valor de la piedra picada que se encuentra enla superficie de la subestacin el cual es de 3000 -m. Y Cs esel factor de reduccin que variara segn el tipo de material dela superficie referida. En el estndar IEEE-80, se presenta laecuacin detallada para definir los valores de Cs, la cual es:

+ = 1n 2

n

0,08hn2

1

K21

0,961

Cs

Donde: h = Profundidad de la capa superficial de la piedrapicada. K = Factor de reflexin.

ss-K

+ Donde = Resistividad del suelo, en .m. s , ya se explico

anteriormente.

a) Voltajes TransferidosPuede ser considerado como un caso especial del voltaje

de toque, tal como sucedera en el caso de que una persona parada dentro del rea de la subestacin, toca un conductorcolocado a tierra a una malla de tierra, bajo condiciones defalla a tierra. Aqu el voltaje de shock es igual al mximo valorde elevacin de la malla y no una fraccin de sta.

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3) Calculo de la Tensin de Toque de la Malla de TierraLos voltajes de toque y paso de la malla, se pueden reducir a

cualquier valor deseado, reduciendo el espaciamiento entreconductores, o sea, aadindole mas cantidad de conductor.Esta situacin es totalmente diferente en la zona

inmediatamente exterior al permetro de la malla, donde el problema puede existir aun con una placa slida. Esteproblema puede ser serio en pequeas subestaciones, donde dela malla cubrira nicamente un rea limitada. Para estecalculo se utiliza el potencial que puede existir, durante la fallaa tierra, entre una estructura puesta a tierra y el centro de unrectngulo de una retcula mallada, esto se conoce con elnombre de voltaje de malla, y se puede calcular haciendo usode la ecuacin que sigue a continuacin:

L

IKKEE Gimtoquemalla

Km = Es un coeficiente que toma en cuenta el nmero (n),

espaciamiento (D), dimetro (d), y la profundidad deenterramiento (h), de los conductores de la malla, excluyendolas conexiones cruzadas.

Fig. 27. Tensin de Toque Cerca de una Estructura Conectadaa Tierra

Fig. 28. Tensin de Paso Cerca de una Estructura Conectada aTierra

Su valor real viene dado por la ecuacin que se presenta acontinuacin:

+ 2-n2

3-n2....

87

65

43

Ln1

dh16

DLn

21

K2

m

Existe sin embargo, otra manera de determinar el factor decorreccin de malla definido por el nmero de conductores

paralelos y que es considerada mas exacta por organismos

internacionales especializados puesto que toma en cuenta otrosfactores como por ejemplo la profundidad de enterramiento dela malla y el dimetro del conductor de la malla de tierra y lacual se presenta a continuacin:

( ) ( )

++ 1-n28

LnKK

d4

h-

dD8h.2D

dh16

DLn

21

Kh

ii22

m

( ) n2ii n21

K =

h1Kh + Ki = Factor de correccin de irregularidad, que toma en

cuenta la no uniformidad del flujo de corriente en diferentespartes de la malla, su determinacin se basa normalmente en

modelos prcticos desarrollados por Koch. Para cuadriculasuniformes su valor viene dado por la siguiente expresin:( )n0,1720,656K i

1D

readelMayorLongitudn +

IG es el valor RMS de la corriente de falla simtrica quepuede circular a travs de la malla de tierra hacia la superficiedel terreno, y se calcula como se indica a continuacin:

gfG ICpDI Donde: Df = Factor de decremento, Cp = Factor de

correccin por efecto de futuras ampliaciones. Ig = Corrientesimtrica de malla, y se calcula como se indica a continuacin:

ffg ISI Sf = Factor de correccin. Segn IEEE TUTORIAL

COURSE, Practical Applications of ANSI/IEEE standard 80-1986, IEEE Guide for Safety est valor es igual al porcentajede corriente que circula a travs de toda la malla de tierra de laS/E. (Sf = % IgT). If = Corriente mxima de cortocircuito o defalla a tierra de la subestacin.

D. Calculo de la Tensn de Paso de la Malla de TierraLas subestaciones pueden ser diseadas para eliminar la

posibilidad de voltajes de toque mas all del permetro delrea de las mismas, esto limita el estudio a los voltajes de

paso, y debido a que estos son menos dainos que otros tipos,una precisin extrema en su clculo no es tan importante, porlo tanto el estndar 80 de la IEEE recomienda la siguienteecuacin:

L

IKKE GiSpm

Donde: Epm = Tensin de paso de la malla, en V, Ks = Esun coeficiente que toma en cuenta el efecto de la cantidad deconductores paralelos en una direccin de la malla (n), elespaciamiento (D) y la profundidad (h), de los conductores dela malla. Su valor viene dado por la ecuacin que se muestra acontinuacin:

( ) + 2-nS 0,5-1D1

hD

1

h2

1

1K

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20/20


Donde:

TL nnn nL = Nmero de conductores longitudinales de la malla de

tierra. nT = Nmero de conductores transversales de la malla

de tierra.Cuando los voltajes de toque y paso son mantenidos entre

los limites tolerables, y si la resistividad superficial escomparable tanto dentro como fuera del cerca, entonces los

potenciales de paso en la periferia de la subestacin, es raroque estos causen algn problema.

E. Longitud Mnima que Debe Poseer el Conductor de TierraLa longitud mnima, requerida para mantener el voltaje de

malla en el limite seguro, puede ser obtenida igualando lossegundos dos miembros de las siguientes ecuaciones yamencionadas, tales son:

TTmallaVV =

Segn el estndar 80 de la IEEE, el voltaje de toquetolerable (VTT) que se utiliza, es el voltaje que puede soportaruna persona que pesa aproximadamente 70 kg.

L

IKKEE GimTmalla

( )21

SStt

t

C0,235157E

= Entonces: ( )

L

IKK

t

C0,235157 Gim21

SS

Finalmente:

SS

Gimm C0,235157

tIKKL =

Donde: Lm= Longitud mnima requerida del conductor queconforma la malla de tierra, en m. s = Resistividad superficialdel terreno, en .m. t = Tiempo de despeje de la falla, en seg.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS[1] ALCALA, Quintero.(1993). El Problema de Puesta a Tierra de Equipos

de Potencia en Sistemas Elctricos. Universidad de Carabobo. TrabajoEspecial de Grado. Va

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