Apuntes Mallas a Tierra-comp

5/11/2018 Apuntes Mallas a Tierra-comp - slidepdf.com

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UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA - Curso de Mallas a Tierra –Primer Semestre-2008 -Versión Preliminar

Medardo Navarro C. 1

MALLAS A TIERRA

1.- OBJETIVOS DE UNA PUESTA A TIERRA.

Los objetivos fundamentales de un S.P.T. son:

- Evitar voltajes peligrosos entre estructuras, equipos (en general elementos expuestos)y el terreno, durante fallas o condiciones normales de operación.

- Proporcionar una vía de baja impedancia de falla, lo más económica posible, a unsistema para lograr, la operación rápida de los elementos de protección.

- Conducir a tierra las corrientes provenientes de descargas atmosféricas, limitando losvoltajes producidos en instalaciones eléctricas (líneas de transmisión de potencia, de,comunicaciones, etc.) y evitando la producción de efectos secundarios tales comoarcos que conduzcan a la desconexión de los circuitos. En este sentido, el problemade puesta a tierra es un problema de protección contra las sobretensiones.

- Servir como conductor de retorno a ciertas instalaciones, equipos o consumos, talescomo:

- Instalaciones de tracción eléctrica- Puesta a tierra del neutro de instalaciones de distribución.- Enrollados de transformadores de potencial.- Circuitos de telefonía por onda portadora.- Protección catódica.- Transmisión de potencia en corriente continua.

1.1.- Resistividad Especifica del Suelo.

Consideraciones Generales:

La resistividad de la tierra o de las rocas depende sobre todo del tamaño de las partículasque las componen, de la proporción de materias solubles y de su grado de humedad.

El suelo se compone principalmente de óxido de silicio y de óxido de aluminio, que sonbuenos aislantes. la presencia de sales en estos dos óxidos mejora la conductividad del

suelo.

El mecanismo de la conductividad es en gran medida un proceso electrolítico debido alcontenido de sal y agua en el suelo, pero si el suelo es seco el factor predominante será eltamaño de las partículas y el volumen de aire aprisionado en ellas.

Existe una correlación entre la naturaleza del suelo y su resistividad, aunque la primeravaríe considerablemente en una misma región la resistividad del suelo tiende acorresponder a la de las rocas madres.





La resistividad de las rocas es tanto más elevada cuanto mayor sea su edad geológica.. laresistividad del granito dolomítico v de la piedra arenisca cuarzosa es generalmentesuperior a los 1.000 Ohm-m. Los suelos arenosos absorben más agua que los arcillosos,pero retienen menos; así, en general más húmedos y deberán por tanto, preferirse a lossuelos arenosos.

1.2.- Factores que Determinan la Resistividad del Suelo.

Entre los numerosos factores que determinan la resistividad del suelo cabe citar:

- El tipo de suelo

- La humedad

- La temperatura

- La concentración de sales disueltas

- La compactación de suelo.

1.2.1.- Tipo de suelo: No existe una clasificación definida para los tipos de suelo, por lotanto hay que limitarse a definirlos en forma y general. En la tabla 1 se indicanvalores típicos para diferentes tipos de suelos y de aguas.

TABLA 1

TIPOS DE SUELO 0 AGUA RESISTIVIDADTIPICAOHM-M

LIMITES NORMALES

Agua de mar. 2 0.10 – 10Arcilla. 40 8 – 70Agua subterránea, agua de pozo,agua de manantial

50 10 – 150

Aguas en suelos de rocas ígneas. 90 30 – 150Mezclas de arcilla y arena. 100 4 – 300Pizarra, esquisto y gres. 120 10 – 1.000Turba, limo y lodo 50 5 – 250Agua de lago y torrente. 250 100 – 400

Arena 2.000 200 – 3.000Grava de morena 3.000 40 – 10.000Grava marítima 15.000 3.000 – 30.000Granito. 25.000 10.000 – 50.000Hielo 100.000 10.000 – 100.000

De esta tabla se desprende que un sistema de tierra que sería completamente adecuadoen un terreno de arcilla, puede ser casi inservible en un terreno arenoso.





1.2.2.- La humedad : La tierra fundamentalmente puede encontrarse en composicionesinvariables, en tres condiciones características: SECA, HUMEDA Y CONGELADA.

Los casos más desfavorables, son: totalmente seca o totalmente congelada, ya que acusauna resistividad específica más alta en muchos órdenes de magnitud que en estadohúmedo. La tierra seca es un aislador excelente; al aire y al sol las capas de arena secade la superficie se aproxima mucho a esta condición. En general, el grosor de tales capassecas no es muy grande, alcanza sólo entre 10 y 20 centímetros. La escarcha tiene unapenetración más profunda, entre 50 y 100 cms o más, según el estrato, por lo cual lastomas a tierra deben ser a mayor profundidad dado que el grado de humedad es un factor esencial en la conductividad del suelo. Parece conveniente que, en casos dados, lapuesta a tierra se coloque en agua (líquidos). Sin embargo, a menudo la conductividad,especialmente de las aguas corriente, no es tan buena como uno está inclinado a suponer.

Los ríos de montañas que llevan agua de deshielo tienen, por lo general una altaresistividad específica a raíz de la elijación (lixiviación) de su lecho. Por otro lado, hay ríoscon aguas muy buenas conductoras pero en este caso, especialmente en zonasindustriales, se debe contar con el peligro de corrosiones acentuadas.

La resistividad de una muestra dada de suelo depende no solamente de la composiciónquímica de éste sino también del contenido de humedad. El siguiente gráfico muestra lavariación de la resistividad de un suelo de arcilla roja con el contenido de humedad. En élse puede observar que a partir de un 10% de humedad la resistividad del suelo decrecerápidamente.

GRAFICO 1

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

10 20 30 40 50 60 70 80 90

% HUMEDAD

R E S I S T I V

I D A D

D E L S U E L O E

N

O H M S





1.2.3.- La temperatura : La resistividad del suelo también depende de la temperatura. Latabla 2 muestra la variación de la resistividad de un suelo compuesto de una mezcla dearcilla y arena con contenido de agua de un 15%.

TABLA 2

TEMPERATURA ºC RESISTIVIDAD EN OHM-M20 7210 990 agua 1380 hielo 300

-5 790-15 3.300

Del gráfico 2 se desprende que la resistividad aumenta a 0 ºC al transformarse el agua en

hielo; se observa también un aumento muy fuerte de la resistividad con el descenso de latemperatura.

La temperatura y especialmente la humedad del suelo tienen una influencia sumamenteimportante en la resistividad de él; de lo mencionado anteriormente se deduce que lainfluencia de la humedad dependerá del tipo de material que se compone el terreno.

Una determinada cantidad o porcentaje de humedad afectará en forma diferente, por ejemplo, a una arcilla o a una arena. Existe sin embargo, una expresión analítica debida aAlbrecht, que indica la influencia de la humedad y temperatura en la resistividad.

mOhmt W

x −⋅+⋅+⋅

= −

)03.01()173.0(

103.1

2

4 ρ

W = humedad del suelo en %t = temperatura en ºC

La expresión anterior pretende ser general o independiente del tipo de suelo, sin embargo,se recomienda su utilización sólo para el cálculo comparativo de la influencia de lahumedad y temperatura en la resistividad de suelo.

mOhmt W

t W −

⋅+⋅+⋅

⋅+⋅+⋅=

)03.01()173.0(

)03.01()173.0(

22

11 ρ

0 sea, conocida la resistividad de determinado terreno, con una humedad W1 y unatemperatura t1 es posible calcular con cierta aproximación la resistividad de éste para unahumedad W2 y temperatura t2.





1.2.4. La concentración de sales disueltas : Al haber mayor concentración de sal en elsuelo, éste mejora la conductividad. El gráfico 3 muestra la influencia de las salesdisueltas en el agua contenida en el suelo.

1.2.5. La compactación del suelo : El gráfico 4 muestra solo en forma cualitativa lainfluencia de la compactación del suelo en la resistividad de ésta, una mayor compactación disminuye la distancia entre partículas y se logra una mejor conducción a

GRAFICO 2

0

50

100

150

200

250

300

350400

450

-18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

TEMPERATURA ºC

R E S I S T I V I D A D

D E L S U E L O O H

M S -

G R A F IC O 3

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

4 0

4 5

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0

% D E S A L E N R E L A C IO N A L A H U M E D A D


D E L S U E L O E

N

O H M S





través del líquido contenido. A medida que aumenta el contenido de humedad se alcanzauna especie de saturación ya que el agua envuelve la mayoría de las partículas y unmayor acercamiento entre, éstas no influye en la conducción.

1.3.- MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO.

Introducción. La resistividad del suelo debe medirse para determinar en una zona dada ellugar más apropiado para la toma de tierra y determinar el sistema de electrodos de tierra

más favorable para el emplazamiento elegido.

Para medir la resistividad especifica es preciso establecer conexiones entre el aparato demedida y el suelo.

Las resistencias introducidas a sí en el circuito de medida son a menudo considerables,por lo cual uno de los problemas que plantea la medición de la resistividad del suelo esanálogo a la medición de resistencias metálicas muy bajas en puntos en que la resistenciade contacto es comparable a la resistencia que ha de medirse. La solución es la mismaen ambos casos y se aplica un método de 4 terminales.

GRAF IC O 4

0,001,00

2,003,004,005,006,007,008,009,00

10,00

A B C D E F G H I J

% COMPACTACION


E N

O H M S -





2.- DETERMINACION DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

2.1. Método de los 4 Electrodos.

El método normalmente empleado para medir la resistividad del terreno es el de 4electrodos en sus versiones de configuración de electrodos de Wenner o deSchlumberqer.En general, este método consiste en inyectar una corriente al terreno, mediante un par deelectrodos y medir la diferencia de potencial que se produce en los otros 2; ver figura 1a.

Entre los electrodos A y B se inyecta una corriente I y entre los electrodos C y D se mide ladiferencia de potencial V que se produce. A partir de los electrodos de corriente sedefinen las distancias r l, r 2, r 3 y r 4 a los electrodos de potencial.

Si la profundidad de enterramiento de los electrodos es pequeña comparada con ladistancia entre electrodos, puede suponerse una distribución radial de la corriente. Paraeste caso, el potencial producido a una distancia X , en un medio homogéneo vale:

X

I V X

π

ρ

2

⋅= (1)

Aplicando esta expresión al esquema de medición, se tiene que la corriente que entra en A al terreno, produce en C el potencial:

1)( 2 r

I

V AC ⋅

⋅

= π

ρ

(2)

2

)(2 r

I V BC ⋅

⋅−=

π

ρ (3)

El potencial total en C vale:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅=+=

21

)()(

11

2 r r

I V V V BC AC C

π

ρ

De forma similar el potencial en D vale

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅=+=

43

)()(

11

2 r r

I V V V B D A D D

π

ρ





La diferencia de potencial medido por el voltímetro o considerada por el instrumento quemide la resistencia vale:

⎥

⎦

⎤⎢

⎣

⎡⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅=+=

4321

1111

2 r r r r

I V V V DC

π

ρ

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅⋅

=

4322

1111

12

r r r r

I

V π ρ

(5)

Esta es la ecuación fundamental para la medición de la resistividad mediante el método delos 4 electrodos.

2.2. Resistividad Aparente.

En la deducción de la ecuación (5) se consideró un terreno de resistividad homogénea. Siesta medida se efectúa en un terreno con esta propiedad, entonces, el valor deresistividad medido corresponderá al valor único de resistividad presente en el terreno.

Si, el medio no es homogéneo, el valor de ρ obtenido de aplicar la ecuación fundamentaltendrá un valor ficticio que no corresponderá, en general, a ninguna de las resistividadespresentes en el terreno, sino a una cierta combinación de ellas. A este valor ficticio deresistividad se le llama resistividad aparente; (ρA).

La forma en que cambia esta resistividad aparente, al variar la separación entreelectrodos, da la pauta para interpretar y determinar la constitución del terreno investigado.

Los terrenos, en general, se componen de varios estratos horizontales o con ciertainclinación (buzamiento) compuestos de materiales de distinta constitución, por lo que suresistividad varía notoriamente con la profundidad.

2.3. Configuración de Wenner.

De acuerdo a la distancia relativa en que se ubican los electrodos en el terreno, existendiferentes configuraciones clásicas, cada una de ellas con leves ventajas e inconvenientescon respecto a las otras.

Hasta hace algún tiempo se usaba casi exclusivamente la configuración de Wenner. Enesta configuración, los cuatro electrodos, ubicados sobre una línea recta, están separadosa una misma distancia "A" entre ellos (figura 1b). En este caso:





r l = r 4 = Ar 2 = r 3 = 2A

reemplazando estos valores en la ecuación (5) se obtiene:

A I

V AW ⋅⋅= π ρ 2

Si el valor I V , calculado o medido directamente con un instrumento se designa como R(tiene la dimensión de una resistencia pero carece de sentido físico real), se tiene que:

A R AW ⋅⋅= π ρ 2

2.4.- Configuración de Schlumberger.

Ultimamente se ha utilizado con mayor frecuencia la configuración de Schlumberger, por las ventajas que ofrece en cuanto a menor trabajo en terreno, lo que es importante paragrandes separaciones de electrodos.

En este caso, los 4 electrodos se ubican en una línea recta. Los 2 electrodos de potencialse disponen simétricamente con respecto al centro de medición elegido y a una distanciaentre si pequeña (1 ó 3 m). Los electro dos de corriente se ubican también simétricamentecon respecto al centro de medición y a una distancia de él variable (figura 1c).

Durante la serie de medidas, los electrodos de potencial permanecen fijos, trasladándosesólo los de corriente.

De acuerdo a la figura 1c, tenemos:

r 1 = r 4 = n · ar 2 = r 3 = (n + 1)·a

reemplazando estos valores en la ecuación 5 tenemos:

ann RSCH A ⋅+⋅⋅⋅= )1( π ρ (6b)

2.5. Separación entre los Electrodos.

Para la separación "A" de electrodos en la configuración de Wenner o la distancia "L" entreel centro de medición y los electrodos de corriente en la configuración de Schlumberger,se utiliza normalmente la siguiente secuencia en metros:





Rho 3p3

Rho 2

Rho 1

Superficie del Terreno

p2

p1

h 3

h 2

h 1

0,6 - 0,8 – 1 - 1,6 – 2 - 2,5 – 3 – 4 -5 – 6 – 8 – 10 –16 – 20 – 25 – 30 etc.

Esta secuencia de medición esta basada en la plantilla Log Log para comparar de mejor forma con las curvas patrones de Money-Orellana

En la configuración de Schlumberger, la separación entre los electrodos de potencial es de0,5 m. Si los valores leídos se reducen demasiado, se aumenta la distancia "a" a 4 m.

El valor máximo de separación entre electrodos es función del área a cubrir con la mallade puesta a tierra. Lo normal es considerar un valor máximo igual a la diagonal de lamalla de tierra con un mínimo de 16 m.

2.6. Determinación de la Resistividad de los Diferentes Estratos.

A partir de las medidas de resistividad aparente del terreno es preciso determinar lasresistividades reales de los diferentes estratos y sus espesores y profundidades.

2.6.1 Naturaleza del Terreno

Los terrenos son buenos, regulares o malos conductores en función de su naturaleza, elconocimiento de esta, es el primer paso para la implantación de una adecuada puesta atierraNo existe una clasificación perfectamente definida de terrenos, por lo que hay quelimitarse a señalarlos en forma general.En todo caso, un sistema de puesta a tierra que es completamente adecuado para un tipode suelo, puede no ser adecuado para otro tipo de terreno.

La resistividad del terreno es de importancia decisiva en el diseño de una puesta a tierra yla única forma de conocerla con exactitud es mediante medidas directas de campo. Seconsidera al terreno formado por capas o estratos homogéneos, de resistividad uniforme yespesor fijo.

Donde : p1, p2, p3, pn son las resistividades propias de cada capa y h1, h2 ,h3, hn sonlos espesores acumulativos de los estratos.





La medición de terreno estrega como datos las resistividades de cada estrato y losespesores de cada capa, es decir, e1,e2,e3,… en., por lo tanto se da la siguiente relación

h1=e1h2=e1+e2h3=e1+e2+e3hn=e1+e2+e3+…en

En la actualidad, se utiliza como método de interpretación de las mediciones deresistividad, a una comparación del gráfico obtenido en terreno de resistividad aparenteversus separación de electrodos con gráficos patrón o standard construidos exprofesopara diversas combinaciones de diferentes estratos. Se han utilizado principalmente lascurvas patrón de Mooney y Orellana para la configuración de electrodos de Schlumberger.

2.7. Resistividad Equivalente.

En los cálculos, relacionados con el dimensionado de una malla de puesta a tierra,necesitamos conocer un valor de resistividad del terreno equivalente a la acción conjuntade las distintas resistividades de los diferentes estratos presentes en el área a ocupar por dicha malla.

En la actualidad se determina esta resistividad equivalente de un terreno mediante elcriterio de Burgsdorf-Yakobs, en una versión simplificada.

Este método simplificado reduce un sistema de "n" capas a una sola capa equivalente deacuerdo a la siguiente ecuación:

( )( )∑=

−−=

n

i

ii

i

ne

F F

F

1

1

1

ρ

ρ ;

n

nn

ne F F F F F F F F

F

ρ ρ ρ ρ

ρ 1

3

23

2

12

1

01 .... −−++

−+

−+

−=

donde los Fi son parámetros que dependen de las dimensiones de la malla de puesta atierra, profundidad de sus elementos y profundidad de los diferentes estratos de acuerdo alas siguientes fórmulas:

( )

( )2

0

2

1r

V F i

i −= ( ) ( )22

0r ii V F −=

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )[ ]4)(2

1 2

0

2

0

22

0

22

0

2

0

22

0

2r qr hqr hqV iii ⋅⋅−++−++⋅=





( ) )(22

0 br r q +⋅= ;( ) ( ) ( )222

0 br r −= ;

π

mallaSupr

.=

b = profundidad de los elementos de la malla de puesta a tierra.

h = profundidad del estrato considerado.

Un sistema que permite obtener en forma gráfica la solución a las expresiones deBurgsdorf -Yakobs, consiste en usar las curvas que se muestran en la figura 1. las cualespermiten reducir dos valores de resistividad distintos a uno equivalente. Este método sepuede aplicar a terrenos multiestratificados con distintas resistividades tomándolos de dosen dos capas y obteniendo su equivalente hasta llegar a un único equivalente.

El dato de entrada a estos gráficos es la superficie de la malla de puesta a tierra, valor quese conoce en forma aproximada. Con este valor y la profundidad "h" del estrato másprofundo se determina el punto "P". Luego se determina el punto "Q" en la intersección dela horizontal que pasa por "P" y la curva correspondiente a la relación conocida 21 ρ ρ .Finalmente, en la proyección vertical del punto "Q" sobre la abscisa superior del gráficoencontramos la relación 1 ρ ρ e

La resistividad aparente " ρe “por se obtiene multiplicando la relación anterior por ρ1

GI

V

A C D B

I

r 1 r 2

r 3 r 4

Fig 1.a.- ESQUEMA GENERAL DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD MEDIANTECUATRO ELECTRODOS





⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅⋅⋅

=

4321

1111

12

r r r r

I

V Ap

π ρ

A R AW ⋅⋅⋅= π ρ 2

ann RSch A ⋅+⋅⋅⋅= )1(π ρ

A C D B

Fig 1.b.- CONFIGURACIÓN WENNER

A A A

A C D B

Fig 1.c.- CONFIGURACIÓN SCHLUMBERGER

n·a a n·a

L





2.8. Comparación entre las Configuraciones de Wenner y Schlumberger.

La configuración de Wenner presenta las siguientes ventajas:

- La interpretación de los valores de R medidos en terreno, es más directa en términosde resistividad aparente. Esto permite visualizar con facilidad la tendencia del gráficode campo.

- Los instrumentos pueden ser de menor sensibilidad que los empleados con laconfiguración de Schlumberger, ya que a medida que se separan los electrodos decorriente, también lo hacen los de potencial.

La configuración de Schlumberger presenta las siguientes ventajas:

- Esta configuración es menos sensible a las variaciones laterales del terreno obuzamiento de los estratos, debido a que los electrodos de potencial permaneceninmóviles.

- La realización práctica de la medición es más expedita, ya que sólo se desplazan loselectrodos de corriente.

2.9. Recomendaciones Generales.

a) En lo posible, realizar las mediciones directamente en el sitio donde se construirá lapuesta a tierra; preferentemente una vez que el terreno haya sido despejado y llevadoa su condición definitiva después de las faenas de movimiento de tierras.

Cuando no es posible realizar las mediciones en la zona donde se construirá la puestaa tierra, debe dejarse una zona plana o aproximadamente plana, representativa delterreno de interés asegurándose que la zona que se mide es similar. En este sentidoes útil observar cortes del terreno o pozos de sondeo hechos para otros propósitos. Sipor razones de coordinación entre proyecto y faenas, no es posible realizar lasmediciones después de dejar el terreno en su condición definitiva; es convenienteobtener datos de la posición de terreno a eliminar o rellenar, para tenerlos presente enla configuración definitiva de la estratigrafía del terreno.

b) Teniendo presente las recomendaciones anteriores, conviene que el lugar de mediciónesté alejado de zonas con pendientes pronunciadas. Si esto no fuese posible, deberátenerse en cuenta esta situación en el análisis de las mediciones. En la figura 2 semuestra cualitativamente el efecto de pendientes cercanas a la zona de medición enlos valores medidos de resistividad aparente, en un medio biestratificado.





En la figura 2, se ha supuesto que el estrato superior siga en forma paralela lasuperficie del terreno y que los electrodos no llegan a las zonas con pendiente.De no existir otra alternativa de medición, es recomendable realizar la medición en unalínea perpendicular a la dirección de la pendiente, alejándose lo más posible de ésta.

c) En el lugar de medición no deben existir objetos metálicos enterrados que abarquenuna zona grande, por ejemplo: tuberías, mallas de tierra, etc.

Si existen tuberías metálicas enterradas cuyo recorrido se conoce, la medición debehacerse en una línea perpendicular a la de la tubería y eligiendo el centro de mediciónsobre la tubería. Sin embargo, no debe excluirse la posibilidad de errores importantesen los resultados de las mediciones.

d) En ciertas zonas y circunstancias particulares, es conveniente realizar mediciones detemperatura, humedad y pH del terreno.

ideal

real

ρap ρ1>ρ2

real

ideal

real

idealρ1<ρ2

A,L

ideal

realρap ρ1>ρ2

real

ideal

real

ideal

ρ1<ρ2

A,L

Fi . 2 Variación en la resistividad se ún endiente





La medición de humedad puede ser particularmente importante en el caso de puestasa tierra de dimensiones relativamente pequeñas, cuya resistencia está fuertementeafectada por la resistividad de las "capas estaciónales". Si la medición de resistividadse realiza en una época del año con alta humedad en el terreno, los valores deresistividad medidos o determinados para las capas superiores, no son válidos paraotras estaciones del año.

Otra forma de enfrentar esta situación es realizar mediciones de resistividad endiferentes épocas del año, especialmente en verano.

La medición de pH del terreno es conveniente efectuarla al utilizar materiales férreosen la puesta a tierra (fierro de construcción, fleje de acero galvanizado, etc.). Algunoscriterios semiempíricos para determinar la corrosividad de un terreno utilizan comoparámetros la resistividad de éste y su pH.

e) Para el caso de puestas a tierra de dimensiones relativamente grandes, es convenienterealizar secuencias de mediciones de resistividad en diferentes partes de la zona acubrir con la puesta a tierra. De la correlación entre los resultados de las diferentessecuencias se pueden concluir eventuales variaciones laterales de importancia o elbuzamiento de los estratos. La cantidad y ubicación de las secuencias a realizar depende de cada caso particular y de la experiencia del ejecutante. A modo ilustrativoy sin pretender que sea una recomendación general, en la figura 3 se grafica unaposible combinación de 8 secuencias de medición para una malla de tierra rectangular de dimensiones A x B.

A

B

Fig. 3 Posible secuencia de medición de resistividad del terreno para una mallade grandes dimensiones.





2.10.- Procedimiento Práctico de Medición.

Teniendo presente las recomendaciones generales:

a) Elegir la línea o eje de medición en una dirección tal que no existan obstáculosimportantes (rocas, árboles, edificios, matorrales, etc.)

b) Establecer un centro de medición mediante un electrodo de potencial auxiliar si se usael método de partición de Lee, o mediante una estaca.

c) Iniciar la medición con separaciones pequeñas entre electrodos; por ejemplo: 0.5 mpara la configuración de Wenner y 4 a 2 m para la configuración de Schlumberger.

d) Para la confección de los gráficos de campo de resistividad y su interpretaciónmediante los gráficos patrón, se recomienda las siguientes secuencias de A o L:

0,6; 0,8; 1.0; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0;6,0; 8,0; 10; 16; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 80; 100; 160; etc.

Y llevar una tabla donde solo se registrará la medición de resistencia, similar asiguiente:





RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Proyecto :

Ubicación :

Fecha :

-------------------------------------METODO : SCHLUMBERGER

C P P C|------NA------|----A----|------NA------||--------L----------|---------L----------|

NA= L-A/2 , @ap= PI*R*(N+1)*NA

L A NA N N+1 R ESC. @ap

0,6 0,5 0,35 0,7 1,7 00,8 0,5 0,55 1,1 2,1 0

1,0 0,5 0,75 1,5 2,5 01,6 0,5 1,35 2,7 3,7 02,0 0,5 1,75 3,5 4,5 02,5 0,5 2,25 4,5 5,5 03,0 0,5 2,75 5,5 6,5 04,0 0,5 3,75 7,5 8,5 05,0 0,5 4,75 9,5 10,5 06,0 0,5 5,75 11,5 12,5 08,0 0,5 7,75 15,5 16,5 010,0 0,5 9,75 19,5 20,5 020,0 0,5 19,8 39,5 40,5 025,0 0,5 24,8 49,5 50,5 030,0 0,5 29,8 59,5 60,5 0

40,0 0,5 39,8 79,5 80,5 050,0 0,5 49,8 99,5 100,5 0

OBSERVACIONES

e) Las mediciones de resistividad aparente deben efectuarse hasta valores de A o L; de 3a 5 veces de profundidad que se desea investigar. No obstante, la tendencia del ρap alaumentar A o L, puede indicar la necesidad o no de continuar la medición para valoresmayores. Si el valor de ρap muestra una tendencia asintótica definida a un determinadovalor, no es necesario continuar con separaciones mayores de los electrodos.

f) Los electrodos deben enterrarse poco profundos en las primeras mediciones paravalores pequeños de A o L. Se recomienda h < 0.1 m. Para separaciones mayores seentierran aproximadamente 0,30 m.





En terrenos muy secos es recomendable verter un poco de agua en el contorno mismode los electrodos; especialmente en los de corriente. Debe evitarse hacer charcosgrandes, pues esto modifica la resistividad natural del terreno y falsea las mediciones.Además de verter agua, es conveniente apisonar un poco la tierra alrededor de loselectrodos con un martillo.

h) Para la medición de las distancias entre electrodos, se recomienda no utilizar huinchasmetálicas. En caso de utilizarlas deben levantarse del suelo durante la medición; loque resulta incómodo.

i) En ciertos instrumentos o sistemas de medición es posible que la resistencia de loscables de medición del voltaje, afecte las lecturas. Debe tenerse presente estaposibilidad.

j) El método de partición de Lee con la configuración de Wenner proporciona una formade comprobación de la medición y verificación de posibles variaciones laterales delterreno. Si el instrumento utilizado no dispone de conexiones para el electrodo central,puede instalarse un conmutador externo como el indicado en la figura 4.

k) El método de Lee permite aumentar aproximadamente al doble el rango máximo demedición del instrumento. Si al usar la disposición normal se excede la capacidad delinstrumento, se puede medir en Lee y sumar los valores obtenidos.

2.11.- Comprobación durante las mediciones.

Es conveniente efectuar algunas comprobaciones durante las mediciones para asegurarseque los valores obtenidos no son erróneos. Además, pueden presentarse algunosinconvenientes durante la medición que son verificables y eventualmente subsanablesdirectamente en terreno.

C1 C2

P1 P2

P1 P2 C2 C1 P0

Fig. 4 Sistema de conmutación para la lectura con el método de Lee





a) Si se tienen dudas sobre el estado del instrumento puede probarse éste midiendoresistencias de prueba de valores tales como 10, 100, 1000 ohmios, que convieneformen parte de los accesorios de medición. Para medir la resistencia basta unir losbornes C1 con P1 y C2 con P2 y conectar a éstos la resistencia a medir. Si se desea, esposible obtener los posibles errores del instrumento midiendo resistencias de precisiónadecuada (por ejemplo 1%)

b) Durante las mediciones es conveniente comprobar, cada cierto número de lecturas, losvalores de resistividad a lo menos en dos escalas diferentes de medición; cuando estoes posible. Si los valores resultan muy diferentes, es posible un mal contacto de uno ovarios de los electrodos con el terreno. Es posible que esta situación se produzcatambién, si las baterías del instrumento se encuentran agotadas.

Otra forma de comprobación cuando el valor leído merece dudas, es medir en Lee ycomprobar si las mediciones son aproximadamente iguales y si la suma corresponde alvalor leído en forma normal. Si una de las mediciones en Lee resulta varias vecesmenor que la otra, es probable un mal contacto o falla en el circuito de potencialcorrespondiente.

c) Si al pretender hacer una medición, la aguja del instrumento de indicación directa o debalance, permanece en una posición cualquiera y no es posible cambiar su posición aloperar solo los controles, la posible causa es una interrupción en el circuito de corrientedebida a:

- Electrodos de corriente en mal contacto con el terreno.- Cables cortados en el circuito de corriente.- Baterías del instrumento descargado.- Falla en el instrumento.

Verificación del circuito de Corriente

- Retirar la conexión de C1 a B1; y unir C1 con P1.

- Si la falla se encontraba en B1, el instrumento indica ahora un valor grande y essensible a las manipulaciones de los controles.

- Si esto no sucede unir directamente C1 y P1 y repetir lo anterior para verificar posiblefalla en el cable C1 – C1.

- Si no se ubica la falla en el lado 1, repetir en el lado 2.

- Si no se ubica la falla en las barras, ni en los cables, comprobar las bater5as delinstrumento, reemplazándolas.

- Si continúa el problema, verificar el instrumento mediante resistencias de prueba.

d) Una falla en el circuito de corriente puede dar origen, también a valores cambiantes ohacer que el instrumento sea poco sensible a las manipulaciones de los controles (enel caso de instrumentos de balance).





e) Si el instrumento indica cero, la posible causa es una interrupción del circuito de

potencial. La verificación es similar a lo indicado en c)

C1 C2

P1 P2

C2 C1

Fig. 5 Verificación del circuito de corrienteB1 B2





3. INTERPRETACION DE LAS MEDIDAS DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

Los métodos de interpretación de las mediciones de un terreno se han basado y se basanactualmente en las técnicas desarrolladas por los geofísicos para el conocimiento de lossuelos a través de la variación de su resistividad. El proyectista de puestas a tierra utilizaestas técnicas de interpretación para concluir los parámetros del terreno que requiere en elproyecto de la puesta a tierra a calcular.

En los inicios de la prospección geoeléctrica existía una gama variada de métodosempíricos de interpretación de las mediciones de resistividad aparente para deducir lascaracterísticas del terreno. Esta escuela perduró un largo tiempo en países como EE.UU.,Canadá e Inglaterra. La mayor parte de estos métodos se basan en la experienciaacumulada en muchos años de mediciones y no estaban sustentados científicamente.Sus posibilidades de interpretación tenían un carácter restringido ya que eran aplicablescon mayor éxito sólo en situaciones particulares. Permitían fundamentalmente laubicación de estratos o variaciones laterales de importancia (depósitos aislados de undeterminado material) y no era posible deducir la resistividad de los estratos del terreno.

Gracias a los aportes de S. Stefanesco, R. Maillet y C. Schlumberger (1932) se desarrollanlos métodos científicos, los cuales desplazan rápidamente a los métodos empíricos enEuropa. Recién a partir de la década del 60, se comienzan a utilizar en EE.UU.

Ciertos gráficos de terreno presentan como promedio una forma similar a un sistema de 2capas, aunque correspondan a un sistema de 3 o más capas.

Desde el punto de vista de la resistividad equivalente es una buena aproximacióninterpretarlo como de 2 capas.

Estos métodos científicos son los recomendables para ser utilizados en la interpretaciónde las mediciones de resistividad aparente, para los propósitos del provecto de una puestaa tierra.

3.1. Interpretación de los Terrenos Mediante Curvas Patrón.

Este método de interpretación de las medidas de resistividad de un terreno es el másexacto y el recomendado. Consiste en comparar los gráficos de terreno con curvas patrónconstruidas con ese propósito para diferentes casos de combinaciones de diferentescapas de terreno. Este método supone que las diferentes capas o estratos de terreno

son paralelas a la superficie.

Si se obtiene un calce perfecto, entre la curva de terreno y una curva patrón, se suponeque la estructura del terreno es idéntica a la teórica en cuanto a resistividad de los estratosy su espesor.





Tanto las curvas patrón como las de terreno se construyen en papel logarítmico en ambosejes. La razón de esto es tener independencia de las unidades y magnitudes de lamedición, de manera que una determina da familia de curvas patrón sirva para interpretar diferentes estructuras proporcionales.

3.1.1. Clasificación de los diferentes Sistemas Estructurales de Terrenos.

La clasificación de las diferentes combinaciones de estratos es arbitraria. Atendiendo aque se dispone de curvas patrón clasificadas de acuerdo al criterio europeo, se adoptaesta solución:

1) Sistemas de 2 capas.

En un sistema de 2 capas existen dos posibles combinaciones de valores relativos, que seindican en la figura 6.

ρ2

ρ1

ρ1

ρ2

E1=h1 E1=h1 A,L A,L

FIG. 6: Posibles combinaciones relativas de un sistema de 2 capas.

ρ1< ρ2ρ1< ρ2





2) Sistema de tres capas

En un sistema de 3 capas existen 6 posibles combinaciones relativas de resistividades quese acostumbra agrupar en 4 tipos que muestra la Fig. 7

ρ1

ρ2

ρ1

ρ2

h1 A,L A,L

Tipo H: ρ1 > ρ2 < ρ3

ρ1> ρ3 ρ1< ρ3

ρ3

E1 E2

h2 h1 h2

ρ3

E1 E2

ρ2

ρ1

ρ1

ρ3

h1 A,L A,L

Tipo K: ρ1 < ρ2 > ρ3

ρ1<ρ3

ρ1> ρ3

ρ3

E1 E2

h2 h1 h2

ρ2

E1 E2





Fig 7 : Posibles combinaciones relativas de un sistema de 3 capas.

3) Sistemas de 4 Capas.

Para un sistema de 4 capas existen 24 posibles combinaciones relativas de resistividadque se acostumbra agrupar en los 8 tipos siguientes:

Tipo QQ : p1 > p2 > p3 > p4 (2 subtipos)

QH : p1 > p2 > p3 < p4 (4 subtipos)

HK : p1 > p2 < p3 > p4 (4 subtipos)

KO : p1 < p2 > p3 > p4 (4 subtipos)

HA : p1 > p2 < p3 < p4 (3 subtipos)

AK : p1 < p2 < p3 > p4 (3 subtipos)

KH : p1 < p2 > p3 < p4 (8 subtipos)

AA : p1 < p2 < p3 < 94 (2 subtipos)

ρ3

ρ1

h1 A,L

Tipo A: ρ1 < ρ2 < ρ3

ρ2

E1 E2

h2

ρ2

ρ3

A,Lh1 h2

ρ1

E1 E2

Tipo Q: ρ1 > ρ2 > ρ3





3.2.- Interpretación de un Sistema de 2 Capas.

El procedimiento de interpretación de las medidas del terreno mediante curvas patrón de 2capas es el siguiente:

a) Trazar las curvas de resistividad aparente con los datos obtenidos en terreno, enfunción de la separación entre electrodos A para Wenner o en función de L paraSchlumberger; L = (n + 0,5)·a. Dibujar la curva en papel log-log de igual dimensión dedécada que el de la curva patrón a utilizar. En lo posible el papel debe ser transparente.

b) Superponer el gráfico con la curva de terreno sobre el gráfico patrón. Conviene utilizar una ventana o una mesa luminosa.

c) Deslizar el gráfico de terreno sobre el gráfico patrón para obtener un calce lo másperfecto posible entre la curva de terreno una de las curvas patrón. Durante esteproceso deben mantenerse paralelos los ejes de ambos gráficos.

Sí es posible un calce en solo una parte de la curva, significa que la curva de terrenocorresponde a un sistema de más de 2 capas.

d) Marcar en el gráfico de terreno una cruz correspondiente al origen (1;1) del gráficopatrón.

e) Leer en el eje vertical del gráfico de terreno la ordenada de la cruz marcada. Este valor corresponde a la resistividad de la capa superior p1.

f) Leer en el eje horizontal del gráfico de terreno la abscisa de la cruz marcada. Este valor corresponde al espesor de la capa superior E1

g) Leer el valor de k o ρ2 de la curva patrón que calza con la de terreno. Si el parámetrode las curvas es k, el valor de ρ2 se calcula como:

121

1 ρ ρ ⋅

−+

=k

k

NOTA: Es posible interpolar entre diferentes curvas patrón de un mismo número de capas.





3.3. Interpretación de un Sistema de 3 Capas.

Si se dispone de curvas patrón para diferentes combinaciones de un sistema de 3 capas,el procedimiento de interpretación es muy parecido al empleado en un sistema de 2 capas.

a) Determinar por inspección del gráfico de terreno el tipo de curva: H, A, Q ó K.

b) Usando el gráfico patrón adecuado proceder de acuerdo a los puntos b) y c) descritosanteriormente para 2 capas.

c) Marcar en el gráfico de terreno la cruz correspondiente al origen (1;1) del gráfico patróny las dos marcas de resistividad. Se toma nota de la relación de espesores E2/E1 quecorresponde a la curva patrón que calza con la del terreno.

d) Leer en el eje vertical del gráfico de terreno la ordenada de la cruz marcada. Este valor corresponde a la resistividad de la capa superior ρ1.

e) Leer en el eje horizontal 1 del gráfico de terreno la abscisa de la cruz marcada. Estevalor corresponde al espesor de la capa superior E1.

f) Las marcas de resistividad ρ2 y ρ3 sobre el gráfico de terreno indican las resistividadesde la capa intermedia e inferior.

g) El espesor de la capa intermedia es igual al espesor de la primera capa multiplicadapor la relación (E2/E1) determinada en c)

3.4. Interpretación de un Sistema de 3 Capas mediante Curvas Patrón de 2 Capas.

Si no se dispone de curvas patrón para sistemas de 3 capas puede recurrirse a unainterpretación por parte de la curva de terreno utilizan do curvas patrón de 2 capas ygráficos auxiliares (método de Ebert). El procedimiento de interpretación es el siguiente:

a) Identificar el tipo de curva de terreno obtenida tipo H, K, Q o A, según su forma. Seusará el gráfico auxiliar correspondiente al tipo determinado.

b ) Hacer coincidir la parte izquierda de la curva de terreno con la curva del gráfico patrónde 2 capas que más se aproxime. Marcar en el gráfico de terreno una primera cruzcorrespondiente al origen (1;1) del gráfico patrón y la marca de resistividad. Estasdeterminan ρ1 y E1 y una estimación de ρ2. Anótese el valor de ρ2/ρ1.

c) Superponer el gráfico de terreno sobre el gráfico auxiliar, conservar paralelos los ejesdurante el proceso.

- Para las curvas H y Q colocar la primera cruz sobre el origen de coordenadas deldiagrama auxiliar.





- Para las curvas A y K colocar la primera cruz sobre el eje, vertical de la izquierda deldiagrama auxiliar, en la posición correspondiente al valor ρ2/ρ1.

d) Se calca sobre el gráfico de terreno la curva del gráfico auxiliar que corresponde alvalor de ρ2/ρ1 anotado y que parte de la posición de la primera cruz.

e) Superponer el gráfico de terreno sobre el gráfico patrón de 2 capas.f) Conservando los ejes paralelos se desplaza el gráfico de terreno hasta que la parte

derecha de la curva calca con una de las curvas del gráfico patrón. Durante esteproceso deben mantenerse el origen de coordenadas del gráfico patrón continuamenteen coincidencia con la curva auxiliar trazada anteriormente.

g) Marcar sobre el gráfico de terreno una segunda cruz correspondiente al origen (1;1) delgráfico patrón y la marca de resistividad.

La posición de la marca de resistividad indica la resistividad de la tercera capa.

h) Superponer nuevamente el gráfico de terreno sobre el gráfico auxiliar. Colocar laprimera cruz igual que en el punto c). Buscar la línea segmentada del gráfico auxiliar que pasa sobre o cerca de la segunda cruz. A esta línea segmentada corresponde undeterminado valor de E2/E1.

i) El espesor E2 de la capa intermedia es igual al espesor de la primera capa multiplicadopor E2/E1 determinado en h).

3.5. Consideraciones Generales sobre la Interpretación.

En la interpretación de las mediciones de terreno conviene tener presente lo siguiente:,

a) En ciertos gráficos de terreno aparecen pequeñas desviaciones de la curva conrespecto a una tendencia general clara. Esto puede deberse a una lectura deficientede uno o varios puntos de la curva (por ejemplo mal contacto de los electrodos depotencial con el terreno), o a la presencia de estratos de pequeño espesor yresistividad mucho más alta o más baja que el resto.En general, estos estratos delgados tienen poca influencia en la determinación de laresistividad equivalente total; por lo tanto, es recomendable "suavizar" las curvaseliminando los puntos alejados de la tendencia general. En esto debe obrarse noobstante, con cierto criterio para no descartar capas de terreno que puedan tener unaimportancia apreciable.





4. REQUISITOS DE UN S.P.T.

Los requisitos fundamentales que debe cumplir una puesta a tierra son:

- Debe conducir a tierra la corriente de falla y/o atmosféricas sin provocar gradientes depotencial peligrosas sobre la superficie del terreno o entre un punto del terreno yobjetos conductores vecinos.

- Debe conducir a tierra las corrientes de falla y/o atmosféricas durante el mayor tiempoeventualmente posible, sin sobrecalentamiento de sus elementos constituyentes.

- Debe tener una impedancia de onda de un valor bajo tal que, al ocurrir descargasatmosféricas no se produzcan arcos inversos entre las partes metálicas y losconductores energizados.

- Debe ser resistente al ataque corrosivo del terreno y atmósfera.

- Debe tener una resistencia tal que en cualquier época del año la corriente de falla atierra sea capaz de producir la operación de los elementos de protección.

- Los diferentes electrodos y elementos que conforma el S.P.T. deben ser capaces deconducir las corrientes de falla sin calentamiento tal, que en zonas específicas, estehecho pudiese dar lugar a incendios o explosiones.

- En zonas con emanaciones gaseosas inflamables deberá recurriese a métodosconvenientes para evitar posibles arcos eléctricos entre partes metálicas o entre unaparte metálica y el terreno.

- En el caso de neutros de sistemas de distribución de baja tensión, los electrodos delS.P.T. deberán estar distribuidos a través de la red para evitar elevaciones peligrosasdel voltaje del neutro en el caso de apertura del conductor del neutro.

- El costo del sistema debe ser lo más bajo posible. Luego, las puestas a tierranaturales, como estructuras metálicas enterradas deben ser consideradas, teniendopresente posibles problemas de transferencias de potencial o problemas de corrosión.

4.1.- Tensiones de Paso y de Contacto.

4.1.1. Tensión de Paso V

P

Es la diferencia de potencial entre 2 puntos del terreno, separados por la distanciade un paso, el que se supone igual a 1 m, en el sentido de la máxima gradiente depotencial, ver figura 8.





4.1.2. Tensión de Contacto VC

Es la diferencia de potencial entre una estructura metálica puesta a tierra y un puntode la superficie del terreno a una distancia horizontal respecto a la estructura igualal alcance de una persona, el que se supone igual a 1 m, ver figura 9.

VP

Ra Rb Rc

1 m

IF

RFRF

RK

ELEVACIÓN DE POTENCIAL SOBRELA TIERRA DE REFERENCIADURANTE UNA FALLA A TIERRA

RF RK

RF IK

IF

Ra

Rb

Rc

Vp

Vp=(RK+2RF)·IK

Fig. 8 Voltaje de paso cerca de una estructura puesta a tierra

IK





4.1.3. Tensión Transferida.

Puede considerarse como un caso especial de la tensión de contacto y se presentacuando una persona de pie dentro del área de una S/E toca un conductor puesto atierra en un punto remoto; o cuando una persona parada en un punto remoto tocaun conductor conectado a la malla de tierra. Aquí, el shock, de voltaje puede ser esencialmente igual a la elevación total de voltaje que sufre la malla de tierradurante una falla, ver la figura 10.

VC

Ra Rb

1 m

IF

RF/2

RK


RK

RF/2 IK

IF

Ra

Rb

VC

Vc=(RK+RF/2)·IK

Fig. 9 Voltaje de contacto cerca de una estructura puesta a tierra

IK





Donde:

IF

= cor r iente de f alla

IK = corriente del cuerpo humanoRK = resistencia del cuerpo humanoRF = resistencia del terreno inmediatamente bajo cada pie

La resistencia de contacto entre pie y mano y terreno sesupone igual a cero.

4.1.4. Tensiones de Paso , de Contacto y de Mano Máximos de Seguridad.

Conociendo la corriente máxima que tolera el cuerpo humano y los parámetros del circuitopodemos determinar las tensiones máximas de seguridad.

Considerando las situaciones más desfavorables podemos asignar los siguientes valores alas constantes del circuito.

VT

Ra

IF

RF/2

RK


RK

RF/2 IK

IF

RaVT

VT=(RK+RF/2)·IK

Fig. 10 EJEMPLO DE VOLTAJE TRANSFERIDO

IK

ALAMBRE DE COMUNICACIONES, NEUTRO, ETC.,PUESTO A TIERRA SOLO EN UN PUNTO REMOTO





a) Resistencia de contacto entre pie y suelo y entre mano y estructura. Se supone igual a"cero".

b) RF, resistencia de la tierra, inmediatamente bajo los pies. Depende de la resistividad delterreno superficial ρS, para fines prácticos puede estimarse en RF = 3 ρS

c) RK, resistencia del cuerpo humano. Es difícil de determinar dado que varia mucho conlas condiciones físicas del individuo. Experimentos realizados en las peorescondiciones han dado los siguientes resultados.

Resistencia mano a mano : 2.330 ohmsResistencia mano a pie : 1.130 ohms

Para los cálculos usaremos el valor conservador de 1.000 ohms.

De la figura 8 obtenemos:

K F K P I R RV ⋅⋅+= )2( t

V SP 116.0)321000( ⋅⋅+= ρ (volts)

t V S

P

ρ ⋅+=

696.0116

(volts)

De la figura 9 obtenemos:

K F

K C I R

RV ⋅+= )2

( t

V SC

116.0)5.11000( ⋅+= ρ

t V S

C

⋅+=

174.0116

(volts)

Para el Voltaje entre Manos, tenemos

t Vm

116=

(Volts)





4.2.- Valores de Corriente Tolerables por el Cuerpo Humano

El riesgo depende de la frecuencia, la magnitud y el tiempo que dura un flujo de corriente através de las áreas vitales del cuerpo humano.

4.2.1. Frecuencia

En este artículo, todas las indicaciones, salvo que se indique lo contrario, se refieren a lafrecuencia industrial de 50 a 60 c/s. Se estima que el cuerpo humano soporta corrientesligeramente mayores de 25 mA y quizás 5 veces este valor, a lo más, con corrientecontinua.

4.2.2. Magnitud.

Se considera que el umbral de percepción del paso de la corriente por el cuerpo humanoestá en 1 miliampere.

Corrientes mayores, del orden de 9 a 25 mA suelen ser bastantes dolorosas y puedenprovocar una pérdida del control muscular tal que dificulte o imposibilite desasirse de unconductor tomado con la mano. Esto nos lleva a considerar como límite de las corrientesinofensivas un valor de 9 mA.

Corrientes aún mayores pueden provocar paros respiratorios recuperables cuando seinterrumpe la corriente, en los casos más graves mediante respiración artificial.Desgraciadamente, a estos niveles de corriente puede ocurrir la muerte debido a laespecial condición del corazón conocida como fibrilación. En este caso no hay respuestaa la resucitación tradicional y el equipo necesario para aplicar el único remedio conocido(un electroshock controlado), en el corto lapso de tiempo durante el cual puede ser efectivo, normalmente no se encuentra en el terreno. Los valores dados para fijar elumbral de la fibrilación (cuando no se especifica el tiempo) varían de 50 a 100 mA.

Mayores valores de corriente, aunque no produzcan fibrilación producen graves efectostales como: detención del corazón, inhibición permanente de la respiración o seriasquemaduras.

4.2.3. Duración del Contacto.

Durante periodos de tiempo muy corto, el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientessuperiores a las indicadas anteriormente. Dalziel estableció que el 99,5% de las personas

puede soportar, sin sufrir fibrilación ventricular, la corriente determinada por la ecuación:

0135.02 =⋅ t I ef

siendo:

Ief = corriente efectiva a través del cuerpo.





t = duración del contacto, en seg.0,0135 = constante empírica llamada "constante de energía".

Según las normas internacionales estas definen la resistencia del cuerpo humano:

Norma VDE de Alemania : 3000 Ohms

Norma UTE de Francia : 2500 Ohms

Norma AIEE de EEUU : 1000 Ohms

Para el caso Chileno establece que:

Alta Tensión : 1000 Ohms

Baja Tensión : 3000 Ohms

El cuadro siguiente describe los efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano.





En relación con esto mismo, es útil analizar la curva de peligrosidad que representa lacorriente eléctrica para el cuerpo humano.

1. Zona estadísticamente no peligrosa para la integridad física de las personas.

2. Zona peligrosa: siguiendo la variación de la curva desde arriba hacia abajo se pasa delpeligro de tetanización al de asfixia y luego a la fibrilación cardiaca.

Por Ultimo, tenemos la variable de la tensión, que siendo causal de que por el cuerpohumano circule una determinada corriente, nuestras normas han definido como voltajesmáximos que no se deben exceder a los siguientes valores:

Para ambientes secos : 65 Volts

Para ambientes Húmedos : 24 Volts

Estos valores son aplicables en sistemas de una tensión máxima de 400 Volts





Tiempo de operación de las protecciones

Las fallas en lineas de transmisión o distribución son normalmente las que con mayoresfrecuencia y en mayor magnitud dan lugar a corrientes residuales que circulan por tierra,por lo tanto en el dimensionamiento de una PT se acostumbra a considerar los tiempos dedespeje de fallas en líneas.

Para los fusibles y reles de sobrecorrientes la característica tiempo corriente es inversa,para los reles de distancia esta es definida, esto es, tiempos de operación constante paracada zona del rele

El tiempo total de despeje de la falla incluye el tiempo de operación de la protección Retar-do de tiempo del circuito de control del interruptor y el tiempo total de apertura del interrup-tor. Valores típicos de operación de interruptores de alta tensión son 1 a 5 ciclos ( 20 a 100ms), para interruptores de tensión superiores o iguales a 44 Kv y de 8 Ciclos ( 160 ms)para interruptores de distribución 12-13,2-23 Kv.

Las protecciones mas comunes usadas son los hilos fusibles en MT y se utilizan lascurvas tiempo total de despeje.





5. DISEÑO PRELIMINAR DEL SISTEMA DE TIERRA.

5.1. Tipo de Sistema.

En toda la discusión siguiente se considerará un sistema de tierra basadofundamentalmente en una malla formada por conductores enterrados horizontalmente. Eluso de una malla tiene las siguientes ventajas.

a) En sistemas en que las corrientes de falla a tierra pueden alcanzar valores muy altos,es casi imposible obtener una resistencia a tierra lo suficientemente baja como paraimpedir que la elevación de potencia total alcance valores peligrosos al contactohumano. En tal caso, que es el habitual en un sistema de transmisión primario, elriesgo sólo puede evitarse mediante el control de los potenciales locales, dejando queel conjunto flote sobre la montaña de potencial. Una malla es el medio más práctico deconseguir esto.

b) En una S/E de cierto tamaño ningún electrodo sencillo es capaz de proporcionar lacapacidad de conducción de corriente requerida. Esto sólo se consigue conectandoentre sí y a todos los elementos que deben conectarse a tierra, un cierto número deelectrodos simples, resultando necesariamente una malla. Si los cables deinterconexión se entierran en un suelo de razonablemente buena conductividad,constituirán por si solos, un buen sistema de tierra que generalmente resulta tanefectivo que permite prescindir de los electrodos originales.

Sin embargo, es necesario considerar que los electrodos de barras verticales, ademásde ser relativamente baratos y de fácil instalación, son imprescindibles en lugaresdonde los estratos superiores del terreno son de alta resistividad, sea por su naturalezao por estar expuestos a resecamientos o congelamientos. En este caso, loselectrodos permiten alcanzar los estratos más profundos permanentemente húmedos.

5.2. Diseño Preliminar de la Malla.

El diseño práctico de la malla se comienza observando una planta de la disposición de losequipos y estructuras que deben ser puestos a tierra.

Un cable continuo debe seguir todo el perímetro de la malla para evitar concentracionesde corriente, y por lo tanto gradientes peligrosas en los extremos de los cables internos.

Dentro de la malla los cables se disponen siguiendo líneas paralelas y a intervalosrazonablemente uniformes. Obviamente, deben ubicarse a lo largo de las filas deestructuras y equipos para facilitar su conexión.

Sin querer enfatizar el punto, debemos tener presente que cruces muy frecuentesdisminuyen la eficiencia total del conductor, debido evidentemente a que un conductor esmenos eficiente, como emisor de corriente, cuando atraviesa una zona ya ocupada por otro conductor. Por otra parte, estos cruces son deseables para suministrar caminosmúltiples a la corriente de falla en puntos de alta concentración o para asegurar la





continuidad ante daños mecánicos de algunos conductores. Lo anterior lleva a diseñar mallas con módulos rectangulares relativa mente alargados y no cuadrados.

Una malla de tierra típica para S/E está formada por cables de cobre desnudo Nº 4/0 AWGenterrados de 30 a 50 cm de profundidad y espaciados formando módulos de 3 x 6 m.Cada cruce se asegura mediante conectores soldados por el método de autofusión y enalgunos cruces pueden también conectarse electrodos verticales formados por barras decopperweld de 16 a 19 mm de diámetro y de 2,5 a 3 m de longitud. En suelos de muy altaresistividad suele ser conveniente enterrar barras de mayor longitud.La malla cubrirá toda el área de los patios de alta tensión de cada S/E, extendiéndosehasta el cierro si éste es de materiales aislantes (ejemplo concreto) y de 1 a 1,5 m. másafuera, si es metálico, En este último caso, el conductor periférico suele enterrarse a unos80 cm de profundidad.

Las zonas de la malla próximas a puntos en que sé prevean altas concentraciones decorrientes a tierra, tales como conexiones a pararrayos o neutros de circuitos estrelladeben, reforzarse agregando más conductores o empleando cables de mayor sección.

5.3. Conexiones a la Malla.

Mediante cables continuos de cobre de secciones adecuadas y uniones tipo autofusióndeberán conectarse a la malla de tierra los siguientes elementos:

a) Todas las partes metálicas que normalmente no conducen corriente, pero queaccidentalmente, por fallas de aislación pueden quedar energizados, tales como:estructuras metálicas, acero de edificios, estanques de transformadores einterruptores, casetas y celdas metálicas, carcazas de máquinas rotatorias, etc.

b) Varillas, tuberías y toda clase de estructuras metálicas enterradas dentro del perímetrode la malla de tierra.

c) Pararrayos y condensadores de acoplamiento y cuando corresponda los neutros de lostransformadores, máquinas rotatorias, circuitos secundarios de poder, alumbrado ycontrol y los secundarios de los transformadores de tensión y de corriente.

5.4. Sección de los Conductores de Tierra.

Cada elemento de un sistema de tierra (incluyendo la malla, electrodos y chicotes deconexión) deben ser dimensionado de modo que:

a) Sus conexiones no se deben fundir ni deteriorar bajo las más adversas combinacionesde corrientes de falla que puedan acaecer.

b) Deben ser mecánicamente muy resistentes.





c) Deberán tener la suficiente conductividad de modo que no contribuyansignificativamente a aumentar las gradientes de potencial locales.

Onderdonk desarrolló la siguiente ecuación que da la capacidad los conductores y susuniones, de acuerdo a su límite térmico.

t

T

T T

A I a

am

⋅

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +

+

−⋅

⋅⋅=33

1234

log

1974

10

donde: I = corriente en Amperes.A = sección del conductor de cobre, en mm2 t = tiempo, en seg., durante el cual la corriente I es aplicada.Tm = temperatura máxima admisible, en ºC.Ta = temperatura ambiente, en ºC.

Al aplicar esta ecuación se hacen, normalmente las siguientes suposiciones:

Temperatura ambiente de 25 ºC.Temperatura límite con uniones apernadas 250 ºC.Temperatura con uniones soldadas al bronce 450 ºC.Temperatura con uniones autofusión 1.083 ºC.Temperatura cable sólo sin uniones 1.083 ºC.

De esta ecuación puede desarrollarse la siguiente tabla de valores límites.

TABLA 3

SECCION MINIMA DEL CONDUCTOR PARA PREVENiR SU FUSION

mm2 por cada mil Amperes

Cable de cobreTiempo

duración dela falla Cable

Copperweldal 40% solo

solo

Con uniones

soldadas albronce

Con uniones

apernadas

30 seg. 24.0 21.0 26.0 33.04 seg. 8.7 7.1 10.2 13.02 seg. 6.1 5.1 6.6 8.21 seg. 4.4 3.6 5.1 6.10.5 seg. 3.1 2.6 3.3 4.4





Por razones de seguridad, las conexiones permanentes a tierra, como son lascorrespondientes a la malla de tierra del lugar en estudio, deben tener una sección mayor que la sección límite establecido en la tabla anterior. Se recomienda multiplicar el valor dela tabla por el coeficiente 1,74 y considerar un tiempo de duración de la falla de 4segundos.

Sin perjuicio de lo anterior, los conductores de una malla de tierra tendrán las siguientessecciones mínimas:

- Nº 4/0 AWG para la malla propiamente tal, conexiones a pararrayos, a cables aéreosde guardia y a las cuchillas de puesta a tierra de los desconectadores.

- 50% de la sección de los conductores de fase con un mínimo del Nº 4/0 AWG, en laconexión de los neutros de los transformadores de poder, máquinas rotatorias yreactores.

- No 2/0 AWG para estructuras y carcazas metálicas y neutros de transformadores deinstrumentos.'

Todas estas conexiones deberán ser lo más cortas posibles y directas al equipoindicado. No se acepta usar como parte del circuito de tierra las estructuras o carcazasmetálicas de los equipos.

5.5. Material de los Conductores de Tierra.

El cobre es el material más empleado de la construcción de una malla de tierra. Ademásde su alta conductividad, el cobre tiene la ventaja de ser inmune a la corrosión galvánicadesde el terreno circundante debido a que él es catódico con respecto a otros metales quepueden estar enterrados en las vecindades.

Por otra parte, este hecho acelera la corrosión de estos últimos metales, tales comotuberías de acero, cubiertas de plomo de los cables, etc. El estañado del cobre reduceeste efecto en un 50% con respecto al acero y al zinc y lo elimina con respecto al plomo.Esta corrosión puede además disminuirse aislando ambos metales, en sus cruces,mediante huincha plástica, compound, etc.

Barras de acero revestidas de cobre (copperweld) se usan normalmente como electrodosverticales y en casos muy especiales en la construcción de la malla propiamente tal.

En algunos casos sé a usado acero galvanizado como material de a malla y electrodos detierra. Con ello se elimina el efecto adverso de malla sobre otros conductores enterrados.Sin embargo, en este caso es necesario proveer alguna protección a la malla propiamentetal; usualmente se usa alguna forma de protección catódica.

Menos frecuentemente se ha usado aluminio en las mallas de tierra. Sin embargo, debidoa que este metal se corroe con facilidad en ciertos suelos y que además, en ciertas





condiciones sufre corrosión por el paso de corriente alterna, su uso puede aceptarse sólosi exhaustivas investigaciones no recomiendan lo contrario.

5.6. Longitud de Conductor necesario para Controlar las Gradientes de Potencial Locales.

Para el cálculo aproximado de la longitud del conductor de una malla de tierra se hadesarrollado una ecuación que asegura que el "voltaje de contacto" en el interior de lamalla se mantendrá siempre dentro de los valores de seguridad.Para estos cálculos se ha considerado el "voltaje de contacto" en vez del "voltaje de paso"o del "voltaje transferido" por las siguientes razones:

a) El "voltaje de paso" encontrado en instalaciones prácticas es siempre menor que el"voltaje de contacto"; además en los contactos con "voltajes de paso", las resistenciasdel terreno bajo ambos pies se disponen en serie, limitando la corriente por el cuerpohumano (ante un choque de "contacto" se disponen en paralelo) y finalmente, elorganismo tolera mayor corriente entre pie y pie que entre mano y pie.

b) Los "voltajes transferidos" son generalmente imposibles de mantener dentro de valorestolerables y por lo tanto requieren de aislaciones u otros tratamientos especiales.

Para tomar en cuenta las condiciones más adversas, en los cálculos trabajaremos con un"voltaje de contacto" especial, llamado "voltaje de módulo" (Vm), el que consiste, en elvoltaje establecido entre una estructura puesta a tierra y el centro de uno de los módulos(rectángulos) adyacentes de la malla de tierra.

Laurent establece que para valores usuales de sección, profundidad de enterramiento yespaciamiento de los conductores, los potenciales locales pueden alcanzar los siguientesvalores aproximados:

Vpaso = 0,1 a 0,15·ρ·i volts (2)Vcontacto = 0,6 a 0,8·ρ·i volts (3)Vmódulo = ρ·i volts (4)

siendo: ρ = resistividad del terreno en ohms-m.I = corriente en amperes por m. de conductor enterrado, que fluye hacia la

tierra.

Sin embargo, normalmente en los cálculos es necesario usar-ecuaciones más precisas, lo

que se consigue mediante la inclusión de dos factores de corrección "Km" y "Ki". Así, enlugar de la ecuación (4) podemos escribir la siguiente:

L

I K K V imm ⋅⋅⋅= ρ volts (5)

donde: Km = coeficiente que toma en cuenta el efecto del número "n", el espaciamiento"D", el diámetro "d" y la profundidad de enterramiento "h" del conductor.Mediante un desarrollo matemático puede obtenerse que su valor es:





⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅⋅⋅⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ += etc Lhd

D LK nnm

8

7

6

5

4

31

162

1 2

π π

Donde la cantidad de factores entre paréntesis es 2 menos que el número deconductores de la malla a lo largo de su lado más largo.

Ki = factor de corrección por irregularidades que considera la no-uniformidad en el flujode corriente desde los diferentes puntos de la malla. Su valor puede variar desde 1,2 a 2ó más, dependiendo de la geometría de la malla; mayores antecedentes se dan en elpunto 5.7 siguiente.

ρ = resistividad promedia de la tierra.I = máxima corriente efectiva de falla que puede fluir entre la malla y el terreno,

reajustada para considerar un crecimiento futuro del sistema.L = longitud total del conductor en m.

Si el valor de Vm dado en (5) se iguala al máximo valor de contacto tolerable, como seindica a continuación, se obtiene:

t L

I K K si M ρ ρ ⋅+=

⋅⋅⋅ 17.0116

s

im t I K K L

ρ

ρ

⋅+

⋅⋅⋅⋅=

17.0116

donde:

L = longitud aproximada del conductor enterrado, necesario para que los valores de Vm semantengan, ante cualquier falla, dentro de los limites tolerables por el cuerpo humano.

ρs = resistividad superficial del terreno en Ohm-m.

t = duración máxima del choque eléctrico en segundos; supuesto igual al tiempo deoperación de las protecciones de respaldo del lugar.

Cuando este valor no se conozca, se tomará el valor de 2 seg. (ver tablas del anexo 1de la publicación MEE.B.13.2 "puesta a tierra provisionales").

Para iniciar los cálculos debemos determinar Km dándonos un valor usual para laseparación "D" entre conductores (ejemplo 4 m), luego de determinado "L" con este valor ydistribuido el conductor por el área de la S/E se determinará un valor más exacto de "D" ymediante éste, sé recalculará Km y consecuentemente "L".





En el valor de "L" está incluía la longitud de todas las conexiones enterradas y de loselectrodos verticales, sin embargo, debe verificarse que estas últimas estén enterradas auna distancia tal que no haya interacción significativa entre ellas y que la resistividad delterreno que alcanzan no sea mayor que el promedio considerado para la mallapropiamente tal.

5.7. El Factor de Irregularidad "k¡".

Se ha demostrado que aún en condiciones ideales tales como: resistividad del terrenouniforme y una malla de tierra de forma geométrica regular, la corriente de falla a tierra,por unidad de longitud del conductor enterrado es variable, siendo mayor en los costadosque en el centro y mayor aún en las esquinas. Evidentemente, las gradientes de potencialvarían de la misma forma.

Para aumentar el problema, rara vez en una instalación práctica se dan estas condicionesideales. Esto significa que para obtener un buen diseño debemos estimar estasirregularidades y como ellas influyen, lo que se traduce en la aplicación a ρ, L e I de unfactor Ki llamado “ factor de irregularidad“.

La determinación del valor de Ki es compleja por lo que generalmente se recurre a datosobtenidos empíricamente. La figura 11 nos da los valores de Ki necesarios para cubrir determinados módulos de diferentes mallas regulares.

Una forma de abordar los cálculos es diseñar una malla con todos sus módulos iguales,para lo cual deberá considerarse un factor de irregularidad igual al mayor indicado en lafigura 11; ejemplo 2,2 para la malla "D".

Otra alternativa, más económica, consiste de adoptar un valor de K i que no alcance acubrir las esquinas (1.9 en el ejemplo anterior) y posteriormente reforzar estas esquinasmediante la inclusión de conductores adicionales.

En mallas de forma irregular deberá aumentarse el valor de Ki, por ejemplo a 2.5, aumentoque podrá ser mayor en presencia de salientes agudos.

También, cuando se conocen o esperan fuertes variaciones puntuales de la resistividaddel terreno sobre el promedio del área total deberá considerarse un aumento adicional deKi

Por otra parte, si consideramos la calda de potencial en la propia malla, debido a laresistencia que presentan sus conductores, podemos observar que los puntos en loscuales la corriente de falla ataca a la malla estarán sometidos a un potencial más alto,desde los cuales tenderá a fluir una corriente mayor hacia el terreno circundante. Si estospuntos, que corresponden a la conexión a estructuras o carcazas de equipos donde sepuede producir una falla de aislación, o neutros de circuitos estrella, los ubicamosfundamentalmente en la zona central de la malla, podemos compensar, en parte latendencia de la corriente de falla a aumentar su densidad en la periferia.

Otro criterio para calcular el valor de K i es aplicar la siguiente fórmula válida para mallasde geometría y resistividad regular:





K i = 0.65 + 0.17 · n

donde: n = número de conductores en paralelo en la misma dirección del lado mayor.

Malla “A”

1.00

Malla “B”

1.00 1.00

1.001.00

Malla “C”

1.5

1.2 1.0

1.2

1.0

1.0

1.0

1.5

1.2

1.21.21.5

1.2

1.2

1.2 1.5

Malla “D”

2.2 2.2

2.22.2

1.9 1.9

1.9 1.9

1.9

1.9

1.9

1.9

1.6

1.6

1.6

1.6 1.6

1.61.6

1.6

1.4

1.41.4

1.41.41.4

1.4

1.4

1.41.4

1.4 1.4

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3 1.3 1.3

1.31.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.3

1.21.2

1.2

1.21.2

1.2

1.2

1.21.21.2

1.2

1.2

A) Según observaciones experimentales:

B) Según la fórmula Ki = 0.65 + 0.17 · n

Malla “A” ⇒ K i = 0.99Malla “B” ⇒ K i = 1.16Malla “C” ⇒ K i = 1.50Malla “D” ⇒ K i = 2.18

FIG. 11 VALOR APROXIMADO DE K I PARA MALLAS





5.8.- Valores de resistencia de electrodos típicos de puesta a tierra.

1.- Barra Cooperweld

Donde: I = largo de la barra en metrosa = radio de la barra en metrosρeq = resistividad equivalente en Ω·m

2.- Conductor horizontal

3.- Dos barras paralelas

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅⋅

⋅⋅=

a

l Ln

l R

eq 2

2 π

ρ

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅⋅=

hd

l Ln

l R

eq2

2 π

ρ

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

⋅++⋅

⋅⋅⋅⋅

= Da

Dlll Ln

l R

eq22(2

4 π

ρ

I

2a

h

/ (m)

d

/ D

2a





4.- Dos conductores en paralelo

5.- Dos conductores en ángulo recto

6.- Estrella de tres barras en 120º

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

+⋅⋅⋅

+⋅⋅⋅

⋅⋅=

22

222

4

)(

4 Dh Dhd

Dll Ln

l R

eq

π

ρ

D

h

h

h

h

d

d

l

h

l L

hd Ln

L R

eq

2

L1.46

2

2

=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅⋅

=π

ρ

hh

l l

l

l L

hd Ln

L

eq R

3

2L4.2

2

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅⋅

=π

ρ





7.- Estrella de cuatro barras

8.- Estrella de seis ramas

9..- Malla cuadrada

h

l

l

l

l

l L

Ln L

Req

4

hd

L8.45

2

2

=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅⋅

=π

ρ

l L

d h Ln

L R

eq

6

L5.33

2

2

=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅=

π

ρ

l L

d h Ln

L R

eq

4

L25.4

2

2

=

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅

⋅⋅=

π

ρ

h h

l

l

h h

h

l





10.- Malla Rectangular con reticulado

Donde:L = Largo total del conductor enterrado en metrosh = Profundidad de enterramiento en metrosS = Superficie de la malla en metros cuadradosd = Diámetro del conductor en metrosA = Lado mayor de la malla en metrosB = Lado menor de la malla en metros

B

A

S

hK ⋅−

⋅−= 044.0

3.2 432.11

B

A-K ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +

⋅=

S

h -0.15

S

h8 5.52

K1 y K2 = coeficientes que dependen de la geometría de la malla .

h

A

Bdh

L2 21

⎥⎦⎤⎢

⎣⎡ −+

⋅⋅

⋅= K

S

K Ln L

Req

π

ρ





6. CALCULO DE LA RESISTENCIA DE UN SISTEMA DE TIERRA.

6.1. Método de Laurent y Nieman.

En base al diseño preliminar de la malla de tierra puede calcularse un valor aproximado desu resistencia a tierra (usualmente no puede esperarse una alta precisión, especialmentedonde los datos son incompletos o falla la homogeneidad del terreno).

Laurent y Níeman usan un método muy simple, que está determinado por la siguienteecuación:

Lr R

eqeq ρ ρ +=

4(9)

donde:

r = radio en m de un circulo que tiene la misma superficie que la ocupada por la malla.L = longitud total del conductor enterrado en m resistividad del terreno en ohms-m.

El segundo término reconoce el hecho que la resistencia de una malla es mayor que la deuna placa sólida y que esta diferencia disminuye a medida que aumenta la longitud "L" delconductor.

6.2. Método de Schwarz.

Un método más aproximado de calcular la resistencia de una malla de tierra,

generalmente usado en cálculos computarizados es el método de Schwarz. Mediante estemétodo sé, determina separadamente la resistencia a tierra del reticulado y la del conjuntode barras y la resistencia mutua reticulado-barras. Las fórmulas básicas son:

Reticulado: ⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅+

⋅

⋅⋅

= 21

1

2K

S

LK

d h

L Ln

L R

eq

π

ρ

Conjunto de barras: [ ] ⎟⎟ ⎠ ⎞⎜⎜

⎝ ⎛ −⋅⋅+−⋅

⋅⋅=

2111

1

2 1214

2 N

S

LK

a

L Ln N L

Req

π ρ

Donde K1 y K2 son coeficientes que dependen de la configuración de la malla y se hanobtenido en forma experimental en modelos. Cuando las expresiones de Schwarz se usanen pequeños programas de computación, una aceptable aproximación para el cálculo deK1 y K2 en mallas rectangulares se obtiene de las fórmulas:





B

A

S

hK 044.0

3.243.11 −

⋅−=

B

A

S

h

S

hK ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+

⋅−= 15.0

850.52

siendo:S = superficie cubierta por la malla, en m2

h = profundidad de enterramiento del reticulado, en m

A = lado mayor de la malla, en mB = lado menor de la malla, en mρeq = resistividad promedia del terreno en ohms-m.L = longitud total del conductor de la malla en md = diámetro de conductor de la malla en mN = número de electrodos verticales.L1 = longitud de cada electrodo en ma = radio de cada electrodo en m

Si la malla no es de forma rectangular exacta puede aproximarse a esta condición sinerrores de importancia.

La resistencia mutua entre el reticulado y el conjunto de barras es:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅⋅−= 11

112d h

L Ln

L R R

eq

π

ρ

La resistencia combinada del reticulado y los electrodos o barras de tierra es:

1221

2

1221

2 R R R

R R R R pt

−+

−⋅=





7.- CALCULO DEL AUMENTO DE POTENCIAL TOTAL DE LA MALLA.

Habiendo sido calculada la resistencia total de la malla de tierra, puede calcularse laelevación de potencial respecto de la tierra remota mediante la fórmula:

E = R·I

donde: I = máxima corriente de cortocircuito que puede incidir en la malla.R = resistencia de la malla de tierra.

Para muy pequeños valores de resistencia y de corriente de cortocircuito, este voltaje, depor sí puede ser menor que el voltaje tolerable por el cuerpo humano, Si este es el caso, lainvestigación concluye aquí, sujeta sólo a la verificación del valor de la resistencia de lamalla después de la construcción.

Mas frecuentemente, el potencial R·I excede el valor tolerable y deben, por lo tanto,investigarse los potenciales locales.

7.1. Cálculo del Voltaje de Paso Exterior a la Malla.

Si construimos el cierro metálico de una S/E al menos a 1 metro al interior del contorno dela malla de tierra, o bien si este cierro es de material aislante, se elimina físicamente laposibilidad de establecer un choque eléctrico por "voltajes de contacto exterior" siempreque ningún elemento metálico exterior a los cierros se conecte a la malla de tierra.

Sin embargo, debemos verificar que el "voltaje de paso" exterior no exceda los límites deseguridad.

Hablamos visto que Laurent estableció un valor aproximado de Vp igual a 0,1 a 0,15 ρ·i(fórmula 2). Sin embargo para esta verificación debemos usar la fórmula más precisa quese indica a continuación, la cual toma en cuenta factores tales como la profundidad de lamalla, tamaño del conductor y su espaciamiento.

L

I K K V iSP ⋅⋅⋅= ρ volts (10)

donde:

Vp = "voltaje de paso" máximo, en un punto del suelo exterior a la malla de tierra y a unadistancia horizontal al conductor periférico enterrado, igual a su profundidad, condición quepuede demostrarse matemáticamente como la más desfavorable.

Ks = coeficiente que toma en cuenta el efecto del número n el espaciamiento "D", y laprofundidad de enterramiento "h" del conductor de la malla.





Su valor es: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++++

+= .........3

1

2

11

2

21etc

D Dh DhK S

π (11)

Donde el número de términos dentro del paréntesis es igual al número de conductores enparalelo de la malla en el mismo sentido del paso.

“K1”, “ρ”, "I" y "L" tienen los mismos significados definidos para la ecuación (5).

Normalmente sucede que si los voltajes internos se mantienen dentro de los límites deseguridad y la resistividad superficial del terreno es semejante dentro y fuera del perímetrode la malla de tierra, los voltajes de paso exteriores raramente alcanzarán valorespeligrosos.

Sin embargo, si la seguridad dentro de la malla de tierra se obtiene sólo con la ayuda deuna capa superficial de alta resistencia, tal como gravilla y ésta no se extiende más allá delos límites de la malla, entonces los "voltajes de paso" exteriores pueden sobrepasar losvalores peligrosos. Los posibles remedios, si esto sucede, pueden consistir en prolongar la capa de gravilla más allá (1 metro) del con torno de la malla de tierra o usar "rampas deseguridad". Una práctica usual en ENDESA es enterrar el conductor periférico más que elresto de la malla de tierra (ejemplo 0,8 m).





8.- CALCULOS DE LOS VOLTAJES INTERNOS Y POTENCIALES TRANSFERIDOS.

8.1.- En General.

Si la longitud "L" del conductor enterrado se ha calculado según el subcapitulo 5.6. y conella se ha diseñado una malla de reticulado uniformemente distribuido, se tiene laseguridad que los voltajes "de paso" y "de contacto" se mantendrán dentro de los valorestolerables ante cualquier condición de fallas a tierra.

Sin embargo, donde el tamaño, el espaciamiento y la profundidad del conductor se salende los rangos habituales, o donde existan grandes irregularidades en la forma de la mallao en la resistividad del terreno, entonces será necesario efectuar investigaciones másdetalladas. En parte esto puede obtenerse aplicando en esos puntos específicos laecuación del factor de irregularidad.

8.2. Efectos de las Corrientes a Tierra Permanentes.

Cada malla de tierra se diseña en forma segura para la máxima corriente de falla,despejada en un determinado tiempo por los relés de protección. Sin embargo, por otraparte, puede fluir por largos períodos de tiempo una corriente menor que la que haceoperar los relés y debe verificarse que ésta no pueda hacer circular por el cuerpo humanouna corriente peligrosa,El umbral de las corrientes peligrosas está fijado en 9 mA por lo tanto "Vm" ocasionado por esta corriente permanente no debe sobrepasar el siguiente valor

1000

9

2

⋅⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ +∠ F

K m

R RV

1000

9

2

31000 ⋅⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅+∠⋅⋅⋅ S

im L

I K K

ρ ρ

eqim K K

L I

ρ

ρ

⋅⋅

⋅⋅+∠

)0.0135(9 S

Amp.

donde:

I = máxima corriente de falla permanente que puede causar un choque eléctrico de nomás de 9 mA.





8.3. Potenciales Transferidos.

Durante una falla, puede aparecer un serio riesgo debido al potencial transferido desde lamalla de tierra a puntos exteriores a causa de conductores que salen de ella, tales comocircuitos de comunicación, neutros de bajo voltaje, cañerías, rieles, cierros metálicos, etc.Este potencial transferido durante una falla frecuentemente puede alcanzar valorespróximos a la elevación total de potencial de la malla de tierra sobre la tierra de referencia.

Por tal razón, estos conductores deben eliminarse o sufrir un tratamiento aislante especial.

8.4.- Diseño de una puesta a tierra en AT

8.4.1.- Introducción

El diseño de un sistema de puesta a tierra, se basa en la necesidad de proteger a las

personas y/o equipos de tensiones peligrosas que puedan aparecer entre la estructurametálica y el terreno, ya sea en condiciones normales de operación o ante una falla.

El informe considera el diseño de las mallas de A.T. – B.T. y computación sin electrodosverticales de puesta a tierra, de acuerdo al tipo de terreno, características de lasubestación y a los niveles de corto circuito del sistema, entregados por la compañíadistribuidora de electricidad.

Estos cálculos permiten determinar la superficie, reticulado y largo del conductor empleadoen las mallas, además de las tensiones a las cuales quedarán expuestas las personas.

8.4.2.- MALLA A TIERRA EN A.T.

1) Se requiere diseñar un sistema de puesta a tierra en A.T. según los siguientes datos:

SS/EE: DATOS DEL SISTEMA

S = 300 (KVA) Icc 3φ = 2500 (A)V =12/0.4 (A) Icc 1φ = 1850 (A)Ip = 14.43 (A) tdf = 0.75 (Seg)Is = 433 (A)Z = 3.74 %Fusible = 25 (A)





DATOS DEL TERRENO

Terreno de 3 capas

Curva = K15-10 (1-10-1)

E1 = 0.3 mE2 = 3 m E3 = 1000 m

ρ1 = 40 x 1 = 40 (Ω m) ρ2 = 40 x 10 = 400 (Ω m)

ρ3 = 40 x 1 = 40 (Ω m)

h1 = E1 = 0.3 m h2 = E1 + E2 = 0.3 + 3 = 3.3 m h3 = E1+ E2 + E3 = 0.3 + 3.3 + 1000 = 1003.3 m

2) Se busca el valor de Rpt (Rf) que permita limitar la circulación de corriente Icc1φ a 850Amp, considerando los valores de Icoci monofásica y trifásica del sistema de acuerdo a laecuación:

( )( )

( )

9

3 2

3212

1

2

)(

X X X I

V

Rcc

FN

Rpt F

++−

= φ

3) Se calculan los parámetros del sistema

φ 3

21 Icc

V X X FN == ; ( )21

1

03 X X Icc

V X FN +−=φ

2500

31200021 == X X





( )Ω== 7712.221 X X

( )7712.27712.21850

31200030 +−= x X

( )Ω= 6925.50 X

4) Cálculo de RF (Rpt)

( )( )

( )

9

6925.57712.27712.2850

3120003 2

2

2

)(

++−

=

x

R Rpt F

( )Ω= 2395.7)( Rpt F R

La Rpt necesaria para limitar la corriente de falla es de 7.2395 Ω

5) Conociendo el valor de Rpt, (7.24 Ω) se diseña una malla tentativa de 54 m2,considerando las características del terreno.

Datos de la malla:

1.5 m

1.5m

A = 9 m

B = 6 m





S = 54 m2 Sección cond. = 21.2 mm2 Diámetro cond. = 5.195 x 10 –3 h = 0.6 mL = (A x na) + (B x nb); L = (9 x 5) + (6 x 7)L = 87 m

Datos del terreno

E1 = 0.3 mE2 = 3 m E3 = 1000 m

ρ1 = 40 (Ω m) ρ2 = 400 (Ω m)

ρ3 = 40 (Ω m)

h1 = 0.3 m h2 = 3.3 m h3 = 1003.3 m

6) Se calcula Rpt de acuerdo a la ecuación:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −

⋅+

⋅

⋅⋅

= 212

K S

LK

d h

L Ln

L R

eq

pt π

ρ

Para el cálculo de Rpt, no se demuestra el desarrollo completo del ejercicio, solamente seindican los valores obtenidos en cada paso.

valores obtenidos:

1459.4=r 7619.162

1 =V 2584.01 =F

8287.162

0 =r 0324.122

2 =V 1900.22 =F

3525.392

0 =q 00066.02

3 =V 1022.43 =F

ρeq = 69.4186 Ωm





1862.11 =K

9493.42 =K

Ω= 3229.4 pt R La superficie de la malla (54 m2) no nos entrega la Rpt

(7.2395Ω) necesaria para limitar la corriente de falla, por lo que

sé rediseñará una nueva.7) Usando la ecuación de Laurent y Nieman, que indica:

Lr R

eqeq ρ ρ +=

4

El segundo término de la ecuación ρeq /L se hace igual a uno, quedando:

Lr R

eqeq ρ ρ

+= 4 14 += r R

eq ρ

:

Luego se despeja el radio para calcular la nueva superficie de la malla.

( )14 −⋅=

Rpt r

eq ρ

( )mr 7814.2

12395.74

4186.69=

−⋅=

S = π x r 2

S = π x (2.7814)2

S = 23.7824 m2 ≈ 24 m2

8) Según la superficie resultante por el método de Laurent, se diseña una nueva malla de6 x 4 m.

Datos de la malla

S = 24 m2 Sección cond. = 21.2 mm2 Diámetro cond. = 5.195 x 10 –3 h = 0.6 m





Cuadriculado de la malla

L = (A x na) + (B x nb); L = (6 x 4) + (4 x 5)

L = 44 m

9) Se calcula la Rpt con la nueva superficie y largo del conductor.

Valores obtenidos:

7639.2=r 2222.72

1 =V 2390.01 =F

2794.72

0 =r 1504.42

2 =V 7688.12 =F

5956.182

0 =q 000135.02

3 =V 6980.23 =F

ρeq = 81.6854Ωm

0823.11 =K

5614.42 =K

Ω= 39.7 pt R

10) Con el valor de Rpt obtenido, se calcula la IF o Icoci, por la ecuación:

1 m

A = 6 m

B = 4 m

1.5m





( ) ( )2

021

23

3

X X X R

V I

pt

FN F

+++=

( ) ( )

22

6925.57712.27712.239.73

3120003

+++

=

x

x I F

( ) A I F 2610.836=

11) Determinación de los tiempos de despeje de falla y máxima exposición a la falla.

12) El tiempo de despeje de la falla del sistema entregado por la compañía es de 0.75Seg.

Este tiempo corresponde al tiempo de despeje del interruptor o fusible, ubicado aguasarriba de la S/E a instalar.

13) De acuerdo a las corrientes nominales del transformador, el fusible que lo protegecontra corto circuitos es de 25T, el que tendrá un tdf de 0.085 seg. Este tiempo se obtienede la intersección de la curva del fusible con la IF’.

14) Se determina un tiempo máximo de exposición a la falla de 0.5 seg., tiempo que esmayor que el de fusión total del fusible que protege a la S/E, dando así un margen deseguridad al cálculo de la malla.

15) Cálculo de la IF’.

Al valor de la corriente de falla (IF), obtenido anteriormente se agregan dos factores, por concepto de las componentes de C.C. en los primeros instantes de la IF y por el

crecimiento vegetativo del sistema.Para los aproximadamente 850 Amp de IF, el tiempo de operación del fusible es de 0.085Seg.Por tabla se aplica un factor de decremento (FD) de 1.32 y crecimiento vegetativo delsistema de un 10%.

La IF’ considerada para el diseño de la malla queda establecida por la ecuación:

IF’ = IF x FD x Fcv





IF’ = 836.2610 x 1.32 x 1.10

IF’ = 1214.2509 Amp

15) Comprobación de la sección del conductor empleado.

La sección del conductor empleado, se comprueba a través de la siguiente ecuación:

t

Ta

TaTm Log

I ASección coci

⋅

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++−

⋅

=

33

1234

1974

)(

10

donde:I = corriente en Amperes.A = sección del conductor de cobre, en mm2 t = tiempo, en seg. , durante el cual la corriente I es aplicada (0.5 seg).Tm = temperatura máxima admisible, en ºC (90 °C).Ta = temperatura ambiente, en ºC (25 °C).

Por lo tanto:

5.033

125234

2590

1974

2509.1214)(

10

⋅

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ++

−⋅

=

Log

ASección

2

0125.8)( mm ASección =

El valor obtenido es menor al establecido por la norma para una malla de AT, por lo que seemplea un conductor de 21.2 mm2.





16) Cálculo de los voltajes máximos tolerables por el cuerpo humano.

Para calcular los voltajes máximos tolerables por el cuerpo humano se considera:Superficie cubierta por gravilla con ρs = 3000 Ωm

Tiempo máximo de exposición a la falla de 0.5 Seg.

17) Voltaje de contacto (Vc) y de paso (Vp).

Estas quedan establecidas por las ecuaciones:

t V S

C

ρ ⋅+=

17.0116

)(3.8855.0

300017.0116vV C =

⋅+=

t V S

P

ρ ⋅+=

7.0116

)(89.31335.0

30007.0116vV

P

=⋅+

=

)(3.885 vV C = )(89.3133 vV P =

18) Cálculo de voltajes mano-pie (Vmp) y pie-pie (Vpp)

Estos voltajes se determinan por la ecuación:

L

I K K V eqimmp ⋅⋅⋅= ρ ;

L

I K K V eqis pp ⋅⋅⋅= ρ

debemos calcular Km y Ks:





⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅⋅⋅⋅⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ += etc Lhd

D LK nnm

6

5

4

31

162

12

π π

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ ⋅⋅+

⋅⋅

=−

8

7

6

5

4

31

10195.56.016

5.1

2

13

2

nnmL

x

LK

π π

414.0=mK

Ki = 0.65 + 0.17 x n

Ki = 0.65 + 0.17 x 5

Ki = 0.5525

L I K K V eqimmp ⋅⋅⋅= ρ

44

2509.12146854.815525.0414.0 ⋅⋅⋅=mpV

6236.515=mpV

L

I K K V iSPP ⋅⋅⋅= ρ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +++++

+= .........3

1

2

11

2

11etc

D Dh DhK S

π

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ++++++

+⋅

=6

1

5

1

4

1

3

1

2

1

5.1

1

6.05.1

1

6.02

11

π SK

7245.0=SK

44

2509.12146854.815525.07245.0 ⋅⋅⋅=PPV

3413.902=PPV





c piemano V V ∠− 3.8856236.515 ∠

p pie pie V V ∠− 89.31333413.902 ∠

De acuerdo a los valores obtenidos el diseño de la malla cumple con los requerimientossegún lo establecida en la en la norma NCH/84.

8.4.3.- MALLA DE B.T.

Para evitar el cálculo de una nueva malla, se diseña una malla de dimensiones similares a

la de A.T. ( 54 m2) considerando que la Rpt debe ser menor a 20Ω.

1) Cálculo de las tensiones base

I V

II V

I V

II V

N

N

b

b = KV I V

II V I V II V

N

N bb 4.0

12

4.012=

×=

+=

KVASb 300=

V = 12 KV

12 KVVbI KV

0.4 KVVbII KV





2.- Cálculo de la Impedancia base I y II

( ) ( )Ω=== 480

300

1222

b

bb

S

I KV I Z

( ) ( )Ω=== 53.0

300

4.022

b

bb

S

II KV II Z

3.- Cálculo de la corriente base I y II

A I V

S I I

b

bb 43.14

123

300

3=

⋅=

⋅= A

II V

S II I

b

bb 012.433

4.03

300

3=

⋅=

⋅=

4.- Cálculo de la secuencia positiva, negativa y cero.

φ 3

21 Icc

V X X FN == ; ( )21

1

0

3 X X

Icc

V X FN +−=

φ

2500

31200021 == X X

( )Ω== 7712.221 X X

( )7712.27712.21850

31200030 +−=

x X

( )Ω= 6925.50 X

5.- Se calculan los valores en pu

Del transformador:

Z1 = 3.74 % = 0.0374 (pu)Z2 = 0.0374 (pu)Z0 = 0.9 Z1 = 0.0336 (pu)





Del sistema:

X1 = 2.7712 (Ω) 5.77x10-3 (pu)X2 = 2.7712 (Ω) 5.77x10-3 (pu)X0 = 5.6925 (Ω) 0.0118 (pu)

ZbI = 480Ω

X1 = X2 = 2.7712 = 5.77x10-3 (pu)480

X0 = 5.6925 = 0.0118 (pu)480

6.- Cálculo de Rpt para una malla en BT en (pu)

Se diseña una malla de 54 m2, considerando que la Rpt debe ser menor a 20Ω.

Cuadriculado de la malla:

Datos de la malla:

S = 54 m2

Sección cond. = 21.2 mm2 Diámetro cond. = 5.195 x 10 –3 h = 0.6 mL = (A x na) + (B x nb); L = (9 x 5) + (6 x 7)L = 87 m

1.5 m

1.5m

A = 9m

B = 6m





Datos del terreno

E1 = 0.3 mE2 = 3 m E3 = 1000 m

ρ1 = 40 (Ω m) ρ2 = 400 (Ω m)

ρ3 = 40 (Ω m)

h1 = 0.3 m h2 = 3.3 m h3 = 1003.3 m

Para el cálculo de Rpt, no se demuestra el desarrollo completo del ejercicio, solamente seindican los valores obtenidos en cada paso.

valores obtenidos:

1459.4=r 7619.162

1 =V 2584.01 =F

8287.162

0 =r 0324.122

2 =V 1900.22 =F

3525.392

0 =q 00066.02

3 =V 1022.43 =F

ρeq = 69.4186 Ωm

1862.11 =K

9493.42 =K

Ω= 3229.4 pt R ZbII = 0.53 (Ω)

)(1564.853.0

3229.4)( pu Rpt pu BT Ω==

)(1564.8)( pu Rpt pu BT Ω=





7.- Cálculo de la corriente de coci en el lado de baja

Diagrama de Secuencias

( ) ( )2

002211

23

3

ST ST ST F

FN cociBT

X X X X X X R

V I

++++++=

( ) ( )2320336.020374.00118.021077.51564.83

013

+⋅++⋅+⋅

∠⋅=

− x

I cociBT

)(1226.0 pu A I cociBT = A II I b 012.433=

II I Icoci Icoci b pu BT BTreal ⋅= )(

J 0.0374

J 5.77x10-3

J 0.0374J 5.77x10-3

J 0.0336

J 0.0118

3 x 8.1564 Ω(pu)

∼





012.4331226.0 ⋅= BTreal Icoci

)(087.53 A Icoci BTreal =

8.- Cálculo de Icoci sin considerar Rpt (por efecto de la neutralización)

( )2

002211

3

ST ST ST

FN cociBT

X X X X X X

V I

+++++=

( )230336.020374.00118.021077.5

013+⋅++⋅

∠⋅=− x

I cociBT

pu A I cociBT )(85.172= A II I b 012.433=

II I Icoci Icoci b pu BT BTreal ⋅= )(

012.43385.172 ⋅= BTreal Icoci

)(12.74846 A Icoci BTreal =

La capacidad de ruptura de las protecciones generales es de 74.8 KA





6.0.- MALLA DE COMPUTACION

Para la malla de computación se considera los mismos datos del terreno y una superficie

tentativa de 120 m2, con lo cual se espera que resulte una Rpt no superior a 3 Ω. O lo que

indique la especificación Tecnica

Cuadriculado de la malla

Datos de la malla

S = 120 m2 Sección cond. = 8.37 mm2 Diámetro cond. = 5.195 x 10 –3 h = 0.6 mL = (A x na) + (B x nb); L = (12x 5) + (10x 7)

L = 130 m

Datos terreno:

E1 = 0.3 mE2 = 3 m E3 = 1000 m

A = 12 m

B = 10 m

2m

2m





ρ1 = 40 (Ω m) ρ2 = 400 (Ω m)

ρ3 = 40 (Ω m)

h1 = 0.3 m h2 = 3.3 m

h3 = 1003.3 m

Al igual que en las mallas anteriores solo se indican los valores obtenidos:

1803.6=r 7633.372

1 =V 2716.01 =F

8371.372

0 =r 3345.312

2 =V 55.22 =F

8108.832

0 =q 00315.02

3 =V 1509.63 =F

ρeq = 60.0029 Ωm

2512.11 =K

1760.52 =K

Ω= 6619.2 pt R

La malla de computación cumple con la Rpt requerida.





9.- MEDICION DE RESISTENCIA Y POTENCIALES DE MALLAS DE TIERRA

9.1 Medición La Resistencia De Puestas De Tierra

Una vez construida una malla de tierra, lo usual es medir su resistencia, Para asegurarseque está dentro, de los límites aceptables. Si el valor de la resistencia de puesta a tierrafuese mayor que el calculado, es probable que deba recurrirse a algún proceso demejoramiento de la puesta a tierra y/o alguna modificación de las dimensiones de ésta. Sisu valor resultante es muy inferior al calculado y este mayor valor no significa másventajas, se habría hecho un gasto adicional innecesario.

9.1.1.- Principio de medición

El principio de medición de la resistencia de una puesta a tierra es el de la caída depotencial. Consiste en hacer circular una corriente entre la malla ensayada y un electrodoauxiliar de corriente. La relación entre la diferencia de potencial de la malla a tierra y latierra remota, y la corriente que está circulando, determina la resistencia de tierra de lamalla, ver figura 9.1

Fig.9.1 Medición de la resistencia de puesta a tierra por el método de caída de potencia

A

V

limite influencia

de malla de tierra

limite influencia

eléctrodo de corrientetierra remola

d (m)

ρ

I





El término "tierra remota" significa una zona suficientemente distante de la malla estudiadacomo del electrodo auxiliar de corriente, de tal forma que los potenciales que aparezcanen puntos adyacentes ubicados en esta región no presenten valores significativamentediferentes entre sí.

La dimensión de la malla, su localización (urbana o no), la resistividad del suelo, etc.,determinan el proceso de medición y el tipo de equipamiento a usar, que puede ser ellmismo utilizado para la medición de resistividad del suelo.

9.1.2 Medición de resistencia de tierra en mallas pequeñas

En mallas de tierra de dimensiones reducidas, la resistencia de éstas puede ser medidacon un medidor de resistividad del suelo, conectado como indicado en la fig. 9.2.

La distancia del electrodo auxiliar de corriente TA en la periferia de la malla en ensayodebe ser suficiente para que el mismo no esté sobre la influencia de la malla de tierra enensayo. Una primera estimación para la localización de este electrodo auxiliar de corrientees de aproximadamente dos veces la diagonal mayor de la instalación.

Fig.9.2 Esquema de medición de resistencia de puesta a tierra con un medidor deresistividad del suelo.

P2P1C1 C2





Una curva de resistencia versus distancia debe ser obtenida preferentemente a partir de laperiferia de la instalación y su forma es la mostrada en la fig.9.3.

Fig 9.3 Curvas de resistencia en función de la distancia.

donde:

a: R = f(d) con electrodo auxiliar de corriente a una distancia suficiente de la malla yelectrodo de potencial con recorrido coincidente con el circuito de corriente.

b: R = f (d) con electrodo de corriente a una distancia insuficiente de la malla y electrodode potencial con recorrido coincidente con el circuito de corriente.

c: R = f (d) con electrodo de corriente a una distancia suficiente de la malla y electrodo depotencial con recorrido no coincidente con el circuito de corriente.

El valor de la resistencia de la instalación es obtenido cuando se encuentra una parteplana en la curva de resistencia en función de la distancia.

Debe tenerse presento que para medir la resistencia de puesta a tierra de una instalación,las conexiones a la malla de tierra, por ejemplo, cables de guardia de las líneas detransmisión o distribución, cables contrapesos, tuberías, etc., deben ser deshechas,siempre que sea posible.

Otro punto a considerar, es que el recorrido tanto del electrodo de corriente, como el delelectrodo de potencial, tengan una disposición no coincidente, debiendo evitar pasar próximo a las líneas de transmisión o distribución, y más aún a tuberías enterradas, con elobjeto de no obtener valores de resistencia ficticios.

Existen algunos procesos de medición de la resistencia de puesta a tierra por el métodode caídas de potencial que pueden facilitar la ejecución de mediciones en áreas urbanas,dado que no necesitan una instalación de tierras auxiliares extremadamente distante de lainstalación en ensayo. Entre estos procesos de medición tenemos:





- el método de la intersección y- el método de la inclinación, explicados en detalle en Ia referencia (5)

9.1.3 Medición de resistencias de tierra de grandes mallas

En grandes instalaciones, lejos de las áreas urbanas, cuando se puede disponer por ejemplo, de una línea de trasmisión aún no energizada, se puede efectuar la medición dela resistencia de puesta haciendo uso de la línea como circuito de corriente y una torre oalguna otra instalación como electrodo auxiliar de corriente, de tal manera que el electrodode corriente diste unos 5 Km del electrodo en ensayo y la corriente de la prueba puedevariar entro 50 y 300 A., ver figura 9.4.

Estas mediciones requieren altas corrientes, usualmente son hechas a frecuenciasindustriales, debiéndose eliminar interferencias. Se debe también deshacer las conexionesa la malla de tierra de acuerdo al ítem 9.1.2.

E1 y E2 electrodos de ensayo (mallas)REI y RE2 resistencia de puesta a tierra de mallas de ensayoV fuente de corriente, C1 y C2 electrodos de corrienteC condensadores para compensar reactancia inductiva de circuito de corrienteTi : i = 1,n estructuras de la 1 línea de transmisión

PTi: i = 1,n resistencias de puesta a tierra de las estructuras de líneas de transmisiónFig.9.4 Medición de la resistencia de puesta a tierra con inyección de corriente de ensayode alto valor.

RE1

C1

RT1 RT2

RTn-1 RTn RT2

T2T1 TnTn-1

V

A

V

C

A

V

Clables de guaria

Conductores de fase cortocircuitadas

E2 C2E1





10..- MEDICION DE POTENCIALES

El método usado para la medición del perfil de potencial, potenciales de paso y decontacto es a través de la caída de potencial con una inyección de corriente de ensayovariando entre 50 y 300 Amperes.El proceso de medición es el mismo descrito en el ítem 9.1.3., para obtener valoresrazonables de potencial en el suelo, se deben desconectar todas las conexiones de loscables de guardia, elementos metálicos como tuberías, etc., a la malla a tierra como loindicado en 9.1.2.Los valores de potencial obtenidos, para representar el valor de potencial que aparece enel suelo cuando ocurre una falla a tierra deben ser corregidos para el valor de la corrientede malla que efectivamente fluirá en el electrodo en ensayo frente a una malla por:

e

m

em I

I V V ⋅=

donde Vm, Im son el potencial y la corriente de malla que existirán ante una falla a tierra;Ve e Ie potencial y corriente de ensayo respectivamente.Las mediciones del perfil de potencial deben ser hechas preferentemente en las esquinasde la malla de tierra para poder determinar las regiones de mayores gradientes depotencial y las zonas de potenciales de paso y de contacto más altos, teniendo siemprepresente de ir verificando los valores calculados teóricamente.

Estas mediciones de potencial pueden ser hechas usado pequeños electrodos clavadosen el eventual revestimiento de la instalación (grava por ejemplo) y las lecturas depotencial deben ser realizadas con un voltímetro con uno de sus bornes conectados a lamalla de tierra y el otro borne conectado alternativamente a los diversos electrodos (fig.

9.5), lo que se obtiene es el perfil de potencial en la superficie del suelo.

Las mediciones de potenciales de paso y contacto deben ser hechas como lo indicado enla fig.9.6 y 9.7, usando electrodos para determinar estos potenciales en el suelo o placa decobre de 200x200x3 mm sobre el eventual revestimiento de la instalación, potenciales queen caso de falla son aplicados a las personas.

Las mediciones con placas deben ser hechas sobre el eventual revestimiento f de lainstalación en ensayo y con la aplicación de un peso de 40 Kg. sobre la placa. Se sugiereque se use una resistencia de 1 KΩ, como lo indicado por la Norma ANSI/IEEE 80 (1)para representar la resistencia del cuerpo humano en las mediciones de potenciales depaso y de contacto.

Es importante destacar que son las mediciones de potenciales de malla de tierra queindican el nivel de seguridad de la instalación. Las mediciones de resistencias de tierra,en la realidad indican si la instalación está efectivamente puesta a tierra, lo que es de granimportancia para el correcto funcionamiento del sistema de protecciones, no indicando elnivel de seguridad para las personas y equipos más susceptibles a las diferencias depotencial, tales como los sistemas de supervisión y control de la instalación.





Las mediciones de potenciales de paso y de contacto, deben ser corregidas para lamáxima corriente que habría ante una eventual falla a tierra (que es función del tiempo deduración de la falla). Estos potenciales se deben medir principalmente en las esquinas yen cercas localizadas en áreas energizadas.





11.- PROCEDIMENTOS PARA MEJORAR LAS PUESTA A TIERRA

En algunas ocasiones resulta difícil obtener bajos valores de resistencia de puesta a tierra,así como valores seguros de potenciales de contacto y de paso, esto debidofundamentalmente a la poca disponibilidad de espacio, alta resistividad del terreno o a laacción de agentes corrosivos. Para resolver estas situaciones es útil considerar:

- Diseño no convencional de mallas (espaciamiento y profundidad de electrodosvariable).

- Interconexión de mallas de tierra o instalación de otra malla en terreno de menor resistividad.

- Uso de electrodos de concreto

- Uso de varillas más largas que lo normal en terrenos multicapas (longitudes de 30 a 40m han sido usadas con buenos resultados).

- En terrenos de alta resistividad o con agentes corrosivos, el tratamiento químico o conBentonita ha sido usado.

- El uso de rejillas o planchas metálicas en áreas expuestas a gradientes altos esbeneficioso. Se ha usado con ventajas un modelo de rejilla de 60x60 cm conconductores de cobre del Nº 6 AWG con alma de acero, instalada de 5 a 15 cm de lasuperficie.

- Compactación adecuada del terreno.

- Uso de capas superficiales artificiales, por ejemplo grava.

11.1.- DISEÑO DE MALLAS DE TIERRA NO CONVENCIONALES

Con la variación de profundidad de enterramiento de los distintos rectángulos queconforman la malla de puesta a tierra, la resistencia prácticamente no sufre alteración ensu valor. Los potenciales solicitantes de paso disminuyen y aumenta la tensión de contactosolicitante.

Es conveniente señalar que para un terreno de resistividad dada, el valor que se obtienepara la resistencia de puesta a tierra, está determinada fundamentalmente por el área que

cubre la malla. La inclusión de una cantidad mayor de conductor requerida para satisfacer las condiciones de seguridad (potenciales) tiene poco significado en el valor final de laresistencia.Las ventajas relativas del diseño no convencional de la malla de tierra y la comparacióncon un diseño convencional se presentarán a través de un ejemplo. La malla tendráespaciamiento desigual y profundidad de enterramiento en aumento hacia los bordes deésta como lo mostrado en la fig.11.1





Se tomará como ejemplo una S/E de bajada, similar a la S/E Curacaví, compuesta de untransformador de 3,5 MVA / 12 KV

Datos: ρ1 = 86.5 Ω·m H = 1.5 m ρS = 2.000 Ω·mρ2 = 35.4 Ω·m ρe = 37.2 Ω·mX1 = 5.57 Ω R ≤ X1

Variables comunes a ambos diseños:

- Tiempo de despeje y corriente máxima de falla:Tiempo de despeje tdf = 1.6 segFactor de decremento FD = 1Factor de crecimiento vegetativo Fcv = 1.5Corriente máxima de falla, para el diseño I = 2.108 A.

- Sección de conductor y Area de la S/E:

Sección del conductor Scond = 4/0 AWGDiámetro del conductor dcond = 11.6 mmSuperficie de la S/E S = 1944 m2

- Voltajes de Superficie:

Voltaje máximo de contacto 526 V. Con grava, 137 V. Terreno naturalVoltaje máximo de paso 1711 V. Con grava, 160 V. En terreno natural

54

36 m

0.6 m

18





Fig. 11.1 Malla de tierra no convencional

La tabla 11.1 indica que el diseño no convencional mejora notablemente la utilización deconductor con una economía de 25 %. El voltaje solicitante de contacto es mucho menor,siendo el voltaje solicitante de paso del mismo orden. Las desventajas del diseño noconvencional son una mayor resistencia y elevación del potencial de la malla.

Tabla 11.1 Comparación de resultados de ambos diseñosde mallas de puesta a tierra

PARÁMETROS Convencional No ConvencionalProfundidad de la malla h (m) 0.6 0.4 - 0.6Longitud total de conductor L (m) 465 375Resistencia de la puesta a tierra Rpt (Ω) 0.18 0.32Elevación de potencial I·R (v) 379 632

Voltaje solicitado de contacto Vc (v) 391 92Voltaje solicitado de paso Vp (v) 134 131

11.2.- INTERCONEXIÓN DE MALLAS DE TIERRA

A veces es conveniente interconectar dos mallas de tierra con la finalidad de obtener unvalor más bajo de resistencia o por razones de seguridad para evitar diferencias depotenciales peligrosos entre ellas.

La interconexión de dos o más mallas, se analiza considerando los efectos mutuos yaplicando posteriormente el método de cálculo de resistencias de electrodos compuestos.

Por razones de seguridad es conveniente duplicar el conductor de unión.La resistencia mutua estimada por el método de la semiesfera equivalente es:

s R

⋅=

π

ρ

212 ρ = resistividad del suelo

s = distancia entre los centros de la mallas

Z

2

1

1 2

I1 I2R1-R12 R2-R12

I1+I2 R12

T.Ref.





Fig. 11.2 Interconexión de dos mallas a tierra

R1 y R2: resistencias de puesta a tierra de mallas 1 y 2 respectivamenteR12 : resistencia mutua entre las dos mallasZ : impedancia de los cables de unión

Si la impedancia de los cables de conexión de las mallas es muy pequeña (Z=0), laresistencia total de conexión de ambas mallas, es similar a la ecuación (2.26) deinterconexión de dos electrodos

1221

2

1221

2 R R R

R R R R pt −+

−⋅=

Las corrientes por cada malla se repartirán de forma inversamente proporcional a lasresistencias del circuito de la fig. 11.2

Reglamentariamente puestas a tierra de partes del sistema de distintos niveles de tensiónno deberán interconectarse. Si son del mismo nivel de tensión pueden interconectarsesiempre que ante eventuales fallas a tierra no existan diferencias de potencialessuperiores a 125 V entre ambas mallas.

11.3.- ELECTRODOS DE CONCRETO

El concreto siendo higroscópico, atrae la humead, tiene una resistividad media de 25 a 40Ωm. esta característica sirve para disminuir la resistividad del material que rodea elelectrodo metálico. Actualmente es común usar como electrodos auxiliares, las barras derefuerzo de acero en concreto armado de las estructuras de apoyo de las construcciones.Su longitud debe ser superior a 15 m, su diámetro mayor a ¾” y estén a una profundidadde 0.75 m o mayor.

Para terrenos con resistividades menores a 50 Ωm no se justifica el uso de estoselectrodos de concreto.

Deben tomarse algunas precauciones, especialmente en lo que se refiere a corrosionescausadas por pequeños valores de corriente continua que pudieran circular por lasestructuras. Corrientes altas que se mantengan por tiempos prolongados pueden resecar excesivamente el concreto.

D

d

ρS





11.4.- TRATAMIENTO QUÍMICO DEL SUELO

La bentonita para disminuir la resistividad de terrenos difíciles. Es una arcilla naturalcompuesta por Montmorillonita (77%), es anticorrosivo, estable y tiene una resistividad de2,5 Ω·m a 300 % de humedad.

La baja resistividad se debe principalmente a un proceso electrolítico entre el H 2O (agua),Na2O (oxido de sodio), K2O ( oxido de potasio), C2O (cal), MgO ( monóxido de magnesio)y otras sales en menores cantidad.

Las sales minerales se ionizan y forman un fuerte electrolito con coeficiente de acidez pHde 8 a 10. Una sustancia con pH < 7 es corrosiva, pH = 7 es neutra y un pH > 7 esanticorrosivo.

Además de sus cualidades anticorrosivas, tiene una muy buena conductividad específica.Esto permite usar conductores metálicos incluso de fierro, como electrodos en terrenoscorrosivos.

Si se provee a la bentonita, una suficiente cantidad de agua, aumenta a 13 veces suvolumen en seco y se adhiere a cualquier superficie en contacto con ella.

Otras características que la hacen adecuada para terrenos secos son:

- Exponiéndola a luz solar, tiende a sellarse en su superficie exterior, encerrando conello la humedad evitando que el proceso de secado llegue a su interior.

- Debido a natural proceso higroscópico, actúa como un material que seca y extraecualquier humedad cercana que la rodee.

Por lo anterior es un excelente material de relleno, que permite reducir la resistencia atierra de los electrodos enterrados en suelos altamente resistivos.

La bentonita se emplea en tres tipos de suelo:

- Terrenos de resistividad alta y difíciles de trabajar en general rocosos

- Terrenos de resistividad alta y difíciles de trabajar; ripiosos, arenosos, permeables, etc.

- Terrenos de baja resistividad, fáciles de trabajar pero corrosivos.

El uso dela bentonita requiere especialización y equipos especiales, dependiendo delterreno.

Para terrenos difíciles de trabajar: Para enterrar los electrodos se hacen perforaciones de4 – 8 m con aproximadamente 5 cm de diámetro. Se pone explosivo, que al detonar produce grietas donde se inyecta la bentonita a presión.





Para terrenos fáciles de trabajar: se procede de igual forma para una malla convencional,realizando las perforaciones en forma estándar, si el terreno es permeable, la solucióninicial se prepara con una concentración de 6 a 10 % para que escurra hacia lasprofundidades y luego se usa una solución más concentrada alrededor de la malla.

11.4.2 Otros elementos químicos

Como se sabe, la conducción de corriente eléctrica en el suelo es de naturalezaelectrolítica. Debido a esto es que se han hecho experimentos tratando de disminuir laresistividad de los suelos agregándoles distintos tipos de sales.

El uso de cloruro de sodio, magnesio y sulfato de cobre, o cloruro de calcio, para aumentar la conductividad del terreno, es una de las prácticas utilizadas.

Sin embargo, se ha comprobado que entrega solo resultados temporales, debido a que lassales al ser solubles, tienden a escurrir hacia las profundidades. Debido a esto se pierde elmejoramiento inicial del terreno.





ANEXO A: NORMATIVA

Según NCh 4/2003, Baja Tensión

7.2.- Procedimiento de Medición de Resistividad de Terreno

De no ser posible la disposición en recta, se sugiere que se dispongan sobre unamisma línea de nivel, si la medición se está efectuando en un cerro o lomaje, o bien,si algún obstáculo sobre un terreno llano impide cumplir esta condición la mediciónpuede hacerse sobre dos rectas que formen un ángulo no mayor de 15º, con vérticeen el centro de medición; si estas condiciones no pueden ser cumplidas, la mediciónse efectuará en otra zona próxima que permita cumplirlas.

A diferencia de la medición de resistividad, atendiendo a que la medición deresistencia de la puesta a tierra es uno de los parámetros que define la conformidadcon norma, esta medición sólo podrá ser efectuada por una OIIE autorizada con lafinalidad de incluir su resultado en el Certificado de Conformidad con Normas de lainstalación.

- Finalidad

Conocer los parámetros geoléctricos representativos de la calidad del terreno, quepermitirán un adecuado diseño de la puesta a tierra.

- Metodología

La medición se deberá efectuar en la zona del terreno en que se construirá lapuesta a tierra, de no ser ello posible por falta de espacio, por la presencia deobstáculos u otras razones atendibles la medición se efectuará en otra área lo máspróxima posible a dicha zona.

Serán aceptadas como métodos normales de medición las configuracionestetraelectródicas conocidas como Schlumberger o Wenner, las cuales podránaplicarse indistintamente, pero una sola de ellas en cada oportunidad.Los electrodos de medida de medida se dispondrán sobre una línea recta, con alasde medición de hasta 100m.

Si no se dispone de terreno como para obtener un ala de 100m serán aceptablesmediciones con alas de 50m. Excepcionalmente, por condiciones extremas, seaceptarán alas de hasta 30m.

- Instrumentos empleados

Se utilizarán geóhmetros de cuatro terminales con una escala mínima de 1Ω, conuna resolución no mayor de 0,01Ω y una escala máxima no inferior a 100Ω.

- Calificación de resultados

No procede en este caso la calificación de resultados, dado que la medición es la





representación objetiva de las características naturales del terreno medido.

7.3.- Procedimiento de Medición de Resistencia de Puesta a Tierra

- Finalidad

Conocer el valor de resistencia obtenido al construir una puesta a tierra de acuerdoa un diseño específico. Este valor será comparado con el de diseño y será utilizadopara calificar la efectividad esperada de la puesta a tierra.

- Metodología

Si bien el empleo de una fuente de corriente independiente y medición decorriente y voltaje con instrumentos individuales ofrece un mayor grado deprecisión y seguridad, el conseguir los elementos necesarios con lascaracterísticas adecuadas al proceso de medición puede presentar un grado dedificultad considerable y por ello lo usual es efectuar estas mediciones con algunode los modelos de geóhmetro disponible en el mercado; en cualquiera de amboscasos la metodología es la misma y basicamente deberá seguir los pasossiguientes:

a) La tierra de referencia se ubicará en un punto que garantice estar fuera de lazona de influencia de la puesta a tierra por medir; como regla general seacepta que esto se logra ubicando la tierra de referencia a una distanciacomprendida entre tres y seis veces el alcance vertical de la puesta a tierra ypara una puesta a tierra enmallada este alcance vertical está representadopor la longitud de su diagonal mayor.

b) La corriente se inyectará al suelo a través de la puesta a tierra por medir y latierra de referencia, puntos C1 y C2 de la fig A2.3 y el potencial se mediráentre la puesta a tierra por medir y una sonda de posición variable, puntosP1 y P2 de la fig A2.3; ello significa que el circuito de corriente y de mediciónde potencial tienen un punto común en la puesta a tierra por medir,representado por la unión C1-P1. En el caso de utilizar en la medición ungeóhmetro de tres electrodos este punto común viene dado en elinstrumento y corresponde al terminal de la izquierda, ubicándose frente alinstrumento; en el caso de utilizar un geóhmetro de cuatro electrodos sedeberá hacer un puente entre C1 y P1 y este punto común se conectará a lapuesta a tierra por medir.

c) El desplazamiento de la sonda de medición de potencial se hará sobretramos uniformes, recomendándose un espaciamiento de aproximadamenteun 20avo de la distancia entre la puesta a tierra y la tierra de referencia.Para el caso de mediciones de tierras en instalaciones de consumo osistemas de distribución un espaciamiento de cinco metros esrecomendable.

d) La serie de valores obtenidas se llevará a un gráfico con las distancias deenterramiento de la sonda de medición de potencial respecto de la puesta a





tierra en abscisas y los valores de resistencia obtenidos en cada mediciónen ordenadas. Si la parte plana esperada de la curva de valores deresistencia no se obtiene ello significa que no se ha logrado ubicar la tierrade referencia fuera de la zona de influencia de la puesta a tierra y ladistancia entre ellas debe aumentarse hasta obtener dicha parte plana. Elorigen del gráfico, distancia cero, estará al borde de la puesta a tierra por medir.

e) Si por no disponer de terreno suficiente para lograr el alejamiento adecuadoentre ambas tierras no es posible obtener la parte plana de la curva, unaaproximación confiable es adoptar el valor de resistencia obtenido a unadistancia equivalente al 65% de la distancia entre la puesta a tierra y la tierrade referencia.

f) Los resultados de la medición efectuada de este modo son independientesde los valores de resistencia propios de la tierra de referencia y de la sondade medición de potencial, razón por la cual la profundidad de enterramientode estos elementos no es un factor incidente en estos resultados.

Nota: Esta condición a llevado a la confusión bastante extendida de aceptar comovalor representativo de la resistencia de la puesta a tierra, al obtenido a unadistancia de 20m, lo cual es válido sólo para el caso que el electrodo depuesta a tierra sea una barra de 3m de largo y diámetro no superior a20mm, enterrada en forma vertical. Por extensión se ha supuesto que lazona de influencia de cualquier tipo de electrodo de tierra corresponde aesta distancia y de allí que erróneamente se pide separar, por ejemplo, laspuestas a tierra de protección de las puesta tierras de servicio en 20 m,cuando es necesario que éstas estén separadas, en circunstancia que locorrecto es calcular esta separación, la cual será función de los parámetrosgeoeléctricos del terreno, de las dimensiones geométricas de la puesta atierra y de las características de comportamiento eléctrico de la instalación osistema; de este cálculo se obtendrán distancias que pueden ser substancialmente distintas, por defecto o por exceso, de los 20m tandifundidos.

- Instrumentos empleados

Puede emplearse en este caso el mismo instrumento de cuatro electrodosempleado para la medición de resistividad de terreno, creando el punto comúnuniendo los terminales C1 y P1, tal como se indicó en la metodología; en los

últimos modelos de algunas marcas este puente viene preparadointernamente y el instrumento dispone de dos posiciones de medición lascuales se seleccionan mediante un botón.

Existen también geóhmetros de tres electrodos, que presentan como ventajaun costo considerablemente menor que los de cuatro, sin embargo sucapacidad está limitada exclusivamente a la medición de resistencias, entanto los de cuatro electrodos sirven indistintamente para medir resistividadesy resistencias.





- Calificación de resultados

El valor de resistencia obtenido de la medición se comparará con el valor calculado en el proyecto y con los valores límites establecidos por la norma;en caso de que este valor sea igual o menor al calculado y cumpla con loslímites de norma, el valor será certificado, en caso contrario se deberárediseñar la puesta a tierra y adoptar las disposiciones necesarias paracumplir con aquellas condiciones.





Según Nseg- 5/71 Corrientes Fuertes





ANEXO 1

SISTEMAS DE TIERRA PARA INSTALACIONES ELÉCTRICAS Y DETELECOMUNICACIONES

Apuntes extraidos de Ernesto Bianchi Souter

1. Descripción de los sistemas de tierra:

Entendemos por sistemas de tierra al conjunto de electrodos y cableados, conectadosfísicamente entre sí y a “tierra” o a “masa”, generalmente de muy baja impedancia, cuyoobjetivo es proteger a las personas e instalaciones de diversos fenómenos eléctricos talescomo la actividad ceráunica, pérdidas de aislamiento, sobre tensiones esporádicas,interferencias de radiofrecuencia, etc.

Podemos distinguir los siguientes tres tipos de sistemas de tierra, cada uno de los cualescumple objetivos diferentes:

• Sistemas de tierras destinados a proteger a las instalaciones y a la personas de laactividad ceráunica.

• Sistemas de tierra destinados a proteger a las personas y las instalaciones por fallas de aislamiento a tierra.

• Sistemas de tierra especiales para telecomunicaciones destinados a suministrar superficies y conductores equipotenciales de baja impedancia.

En la mayoría de las obras de telecomunicaciones, compuestas por torres construidas agran altura, siempre es necesario instalar estos tres sistemas de tierra. En otro tipo deinstalaciones, en cambio, a veces no es necesario instalarlos todos.

Al coexistir estos diferentes sistemas de tierra en una misma instalación, si bien cumplenobjetivos diferentes y sus cableados son eléctricamente independientes, lo más común yeconómico es que compartan la misma malla de tierra (electrodos de conexión a tierra).Sin embargo, en algunos casos, esta solución puede no ser la más apropiada.

a) Sistemas de tierras destinados a proteger a las instalaciones y a las personas de la

actividad ceráunica:

La actividad ceráunica tiene su origen en la acumulación de cargas eléctricas en lasnubes, producidas por el roce con el aire. Se ha podido comprobar que las cargas puedenser positivas o negativas, las que se acumulan en sectores opuestos de una misma masao en nubes diferentes, creándose poderosos campos eléctricos entre ellas y, también, conla superficie del suelo.

Cuando el campo eléctrico entre nubes de diferente polaridad es suficientemente grande,





se rompe la capacidad dieléctrica del aire aislante, ionizándose, generándose unadescarga eléctrica. Este sería el origen de los relámpagos de altura. Igualmente, dado quealgunas nubes cargadas eléctricamente pueden estar a poca altura, inducen la formaciónde cargas eléctricas de signo contrario en la superficie conductora del suelo, creándose,así, campos eléctricos de gran intensidad. En estas circunstancias el campo eléctricotambién puede ser lo suficientemente grande como para que se rompa la capacidaddieléctrica del aire. Se producen así los rayos que “caen” directamente sobre los objetosconductores que, eventualmente, se encuentren más cercanos. En la figura Nº 1 sedescribe esquemáticamente este fenómeno.

Las diversas experiencias y observaciones que existen sobre el tema han demostrado queel 95 % de las descargas proceden de nubes cargas negativamente, es decir, cargadasconelectrones que se descargan al suelo. Los niveles de corriente que han sido medidos semuestran en el siguiente cuadro estadístico resumido:





Suponiendo que las nubes tienen una configuración relativamente esférica y que lasuperficie del suelo es un conductor horizontal muy extendido, el campo eléctrico creadoentreambas superficies es inverso del cuadrado de la distancia entre el centro de la nube y elsuelo:

Vemos, así, que el campo eléctrico es mayor en las puntas de los elementos conductoresmás altos; de allí que la mayoría de los rayos casi siempre caen sobre la copa de losárboles demayor altura.El circuito equivalente, que los investigadores especialistas en el tema suelen utilizar paradescribir el fenómeno, generalmente es asimilado a una resistencia R (representativa de la

resistencia del aire ionizado al paso de la descarga ), una inductancia L (representativa delcampo magnético y características geométricas de las trayectorias de la descarga y por uncondensador C (representativo de la capacidad electroestática del sistema compuesto por la nube y el suelo ). (Figura Nº 2)

Al producirse la descarga (se cierra el interruptor) la corriente en el circuito se puedecalcular a partir de la siguiente ecuación diferencial lineal:





Los resultados numéricos de esta ecuación dependen del valor de los parámetros del

circuito (R , L y C ) y del nivel de la carga inicial (Q ). Por las características del circuitoequivalente, la resolución de esta ecuación conduce a alguna de las formas típicas que semuestran en la figura Nº 3. Como se ve, se trata de una descarga cuyo nivel de corrienteaumenta rápidamente en los primeros instantes, alcanza un valor máximo, para luegodecaer hasta disiparse completamente. Según los valores relativos de R , L y C la onda dedescarga puede estar compuesta por un solo pulso que decae exponencialmente, o por unpulso negativo seguido de uno positivo que luego decae o, también, por una descarga deltipo resonante amortiguada, compuesta por varios pulsos alternados.

Las observaciones de campo, así como las experiencias que constantemente realizandiversos laboratorios especializados, demuestran que este esquema simplificado

representa, con buenos resultados, las características principales del fenómeno. Por estarazón se ha ideado la prueba de impulso, concebida, justamente, para simular lasdescargas atmosféricas.La forma de onda normalizada que se ha adoptado corresponde a la curva A de la figura;con un solo pulso que decae exponencialmente. El tiempo t 1 de subida considerado en lanorma es de 8 [ μ s] y el de decaimiento t 2 de 20 [ μ s].

Según la tensión nominal de las instalaciones de potencia, el nivel de aislamiento





requerido de los equipos se define según la tensión máxima del pulso que pueden tolerar,sin sufrir deterioros. En efecto; a cada clase o nivel de tensión nominal corresponde unnivel de pulso normalizado (BIL del equipo).

Ahora bien, para que los equipos se mantengan protegidos, se deben agregan pararrayoscompuestos por chisperos o varistores, conectados en paralelo a tierra, calibrados de talmanera que provoquen la descarga a la tensión máxima especificada. Las caídas detensión y las tensiones inducidas en el circuito a tierra, provocada por la circulación de lacorriente de descarga, debe ser menor o a lo sumo igual a esta tensión máxima.

Considerando, por ejemplo, una tensión de punta de 750 [KV ] (BIL) y una corriente dedescarga máxima de 60 [KA], la inductancia L del circuito induce la siguiente tensión entreel pararrayos y tierra:

Vemos, entonces, que si se desea limitar la tensión al valor máximo indicado, lainductancia debe ser inferior a 100 [ μ Hy ]:

La energía W que se disipa en las resistencias del circuito, incluida la resistencia a tierrade la malla, se puede calcular a partir de la Ley de Joule:

La resolución aproximada de esta expresión para el caso de un frente de onda de un solo

pulso es:

Si la resistencia del sistema óhmica total es de 5 [O] la energía que debe disipar el sistemade tierra es, en este caso:





Vemos entonces que para proteger a las personas y las instalaciones de la actividadceráunica, es necesario proyectar cableados y sistemas de disipación capaces de

alcanzar las metas planteadas. Además, es necesario instalar pararrayos de altura quecapten las descargas y las dirijan en las direcciones deseadas.

La inductancia de los conductores depende de la relación entre su largo y su diámetro.Una torre de 46 [m] de alto y de 4,4 [m] de lado tiene una inductancia del orden de 40 [ μ Hy ].

Un cable de cobre de 9,3 [mm] de diámetro (2/0 AWG), de la misma longitud, tiene unainductancia del orden de 80 [ μ Hy ]. Sin embargo, la inductancia del cable tendrá efectosolo en la medida que se encuentre muy alejado de la torre, lo que es impracticable. Alestar adosado a muy poca distancia de la torre se comporta como si formara parte de ella,

es decir, es como si no existiera. Vemos entonces que la mayor parte de la descargatomará la ruta de la estructura de la torre. Nos resulta por lo tanto evidente, que la prácticade agregar cables de cobre desnudos, separados de la torre por simples aisladores de 100 [mm], es inútil.

Lo que interesa principalmente es disponer de circuitos de descarga cuya inductancia sealo más baja posible. Con este objeto los cables de conexión que unen las patas de lastorres la malla de tierra, deben ser lo más directos posibles, sin curvas ni cambios dedirección. Por esta misma razón e independientemente del valor de la resistencia óhmicade la malla de tierra, la malla debe construirse bajo de la torre.

Las configuraciones más eficaces para estos propósitos son las mallas del tipo radialestrelladas, con una barra vertical en cada bifurcación y en la puntas. La inductancia deeste tipo de configuraciones es mucho menor que la de las mallas del tipo reticulado. Enefecto, las mallas de tierra del tipo reticulado, debido precisamente a sus cuadrículas,presentan mucho mayores inductancias que las radiales. Por esta razón, por muy bajaresistencia a tierra que puedan tener no necesariamente son las más apropiadas paraconducir descargas. En la figura Nº 4 se muestra un esquema radial estrelladocaracterístico.





En lo que respecta al área de protección de los pararrayos de altura, actualmente se aplicala norma basada en el esquema dibujado en la figura Nº 5, en el cual se supone que elárea de protección está limitada a la superficie de una esfera de no más de 46 [m] de radio(150’ [ pies]) apoyada en la cúspide del pararrayos, distancia a la cual es muy probable quepueda saltar la chispa. Esta norma esta basada en la teoría de que el campo eléctricogenerado por una nube es, aproximadamente, esférico (Figura Nº 1). Se conoce como lateoría de la bola rodante (“rolling ball theory” ).

Al hacer rodar la bola, simulando el desplazamiento de las nubes, el manto de susuperficie va dibujando las áreas que quedan protegidas. Cualquier esquina o extremo delos edificios, que eventualmente pudieran no quedar bajo este manto de protección, tienela posibilidad de captar descargas debido, precisamente, a que su distancia al centro de lanube puede ser menor que la que establece el cúspide del pararrayos. Cuando esto ocurrees necesario agregar puntas de pararrayos en los extremos opuestos exteriores de losedificios, de manera que la esfera de influencia ruede por encima de las puntas. En el





dibujo de la figura la construcción más pequeña queda protegida bajo el manto y, encambio, la más alta tiene una esquina desprotegida.

b) Sistemas de tierra destinados a proteger a las personas y las instalaciones porfallas de aislamiento a tierra.

Cuando se produce una falla a tierra, circulan corrientes por la superficie. Dado que laresistencia del suelo es relativamente alta, las caídas de tensión superficiales entre pasospueden llegar a ser suficientemente altas como para representar un peligro, especialmentepara los operarios que transitan por el lugar (tensión de paso). En la figura Nº 6 sedescribe esquemáticamente esta situación.

La diferencia de tensión por metro lineal u r , generada por la circulación de la corriente defalla I f , genera una diferencia de tensión DU r entre los pies del operario, proporcional a lacorriente, a la longitud p de sus pasos y a la resistividad ? del suelo.

Al construir una malla de tierra cuadriculada debajo de la superficie, el suelo setransforma en una superficie equipotencial y, por lo tanto, las caídas de tensiónsuperficiales por metro lineal se reducen prácticamente a cero y, por lo tanto, las

personas pueden caminar sin peligro por el terreno de las subestaciones.Cuando las tensiones presentes son muy elevadas en algunos diseños se agregan placasde cobre superficiales, conectadas a la malla de tierra, en todos aquellos puntos o lugaresen donde el personal debe pararse para manipular dispositivos de operación(desconectadores de acción manual, por ejemplo). Al pararse el operario sobre estos pisosde cobre tienen la certeza de que las eventuales tensiones de paso serán, prácticamente,nulas.

Adicionalmente todas las partes metálicas de las estructuras y carcasas de los equipos





eléctricos deben conectarse a la malla de tierra, de tal manera que las eventualescorrientes de fuga debidas a fallas del material aislante se conduzcan directamente a lamalla de tierra, evitando, así, que circulen por la superficie del suelo.

c) Sistemas de tierra especiales para telecomunicaciones destinados a suministrarsuperficies y conductores equipotenciales de baja impedancia :

Como sabemos, siempre existen en el ambiente interferencias de radiofrecuencia, que amenudo provocan ruidos en los sistemas de telecomunicaciones. Por esta razón esnecesario aplicar diversos tipos de soluciones, muchas veces empíricas, tendientes adisminuir estas interferencias.

Los elementos metálicos conductores que forman parte de los cables de antena, talescomo las guías de onda, el blindaje de los coaxiales y los elementos estructurales que lassoportan, también funcionan como antenas, captando estas señales ruidosas. Con esteobjeto se acostumbra a instalar una red de cables especiales de baja impedancia, cuyoobjetivo es descargar a tierra las interferencias que se inducen en los elementosmencionados. La experiencia empírica aconseja que estos cables se mantengancompletamente aislados de la estructura de la torre y de otros elementos no ligados alsistema de antenas propiamente tal, con el objeto, precisamente, de no absorber, por contacto, interferencias de radiofrecuencia que también se inducen en los demáselementos metálicos de la instalación (torre, escalera, contenedor metálico, etc.).

Las prácticas modernas aconsejan tender este tipo de conductores aislados de bajaimpedancia a lo largo de todo el recorrido de los cables de antenas y conectar a ellos,mediante barras distribuidoras aisladas, los cables de antena, los soportes de las antenasy, en general,los elementos estructurales ligados directamente a los sistemas de radiofrecuencia. Cuando los recorridos son muy largos, se aconseja repetir estas conexionesen la parte alta, en la central y en la parte baja de la torre, así como en el puente decables, a la entrada del contenedor de equipos, etc. Finalmente, este sistema deconductores se conecta a la malla de tierra en el o los puntos más apropiados.

Cuando se trata de antenas compuestas por varillas verticales es necesario que la señalque emiten esté referida a una superficie equipotencial que funciona como espejo. Coneste objeto, es necesario construir superficie s conductoras bajo el eje vertical de laantena. Las mallas de tierra destinadas a proteger los equipos de as fallas a tierra,descritas en los párrafos anteriores, cumplen muy bien este objetivo. Sin embargo, entodos aquellos casos en que no existe este tipo de construcciones, se hace necesarioconstruir algo similar o, en su defecto, es necesario agregar algunos conductores degeometría radial en las bases, perpendiculares a la antena, para que hagan el papel de

espejos equipotenciales.





ANEXO 2

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Orlando [email protected]

1. GENERALIDADES Estas especificaciones y criterios de diseño eléctrico serán empleados en el proyectoeléctrico denominado EDIFICIO INTELIGENTE, el cual será utilizado principalmente comooficinas

1.2 Constitución:

El “EDIFICIO INTELIGENTE” estará constituido por ocho módulos de forma hexagonal,formando un conjunto de 6 edificios (2 edificios estas conformados por 2 módulos),

intercomunicados y agrupados.Se contara con servicios auxiliares para el funcionamiento del conjunto de edificios y estáncalculados para una densidad de población de 120 personas por nivel, por edificio,tomando en cuenta futuras ampliaciones.Los servicios de los edificios son:

Sistema hidroneumático de bombeo.Sistema contra incendio.Sistema de aire acondicionado.Sistema de recuperación de agua pluvial.Sistema de carcamo de bombeo.

Sistema de riego.Sistema de filtración de agua.Sistema de agua tratada.Sistema de reserva diesel.Sistema de elevadores.Sistema de energía regulada.Respaldo de suministro y generación de energía al 100 %.Sistema de monitoreo de parámetros eléctricos.Circuito cerrado de televisión,Etc.

2. CONDICIONES AMBIENTALESLos transformadores deben operar en el interior del inmueble, en atmósfera limpia, por lo que el equipo debetener acabado estándar y garantizar un nivel de vida de 20 años, operando bajo las siguientes condiciones:

TEMPERATURA AMBIENTE MÁXIMA 40ºCTEMPERATURA AMBIENTE MÍNIMA 4ºCTEMPERATURA AMBIENTE PROMEDIO 30ºCPRESIÓN BAROMÉTRICA 750 mm Hg.HUMEDAD RELATIVA 10 a 90%





ALTITUD 2,280 msnm.

El medio ambiente contiene polvo en suspensión y alta corrosión por contaminación, por lo que elsistema de tierras y sus accesorios deben ser construidos con materiales resistentes a la corrosión amanera de garantizar un nivel de vida superior a los 20 años.El diseño de los sistemas de tierras se debe considerar, que van a estar operando en presencia dehumedad, polvo, roedores e insectos, por lo que se requiere que el diseño sea apropiado para las

condiciones de este medio ambiente y contar con facilidades para recibir mantenimiento.

3. ALCANCE

La ingeniería de diseño eléctrico comprende la elaboración de planos y especificacionesde materiales para el sistema de tierras, y conexiones a tierra de dispositivos eléctricos yelectrónicos.El objetivo del diseño será proveer una instalación eléctrica con las siguientescaracterísticas:SEGURIDADFLEXIBILIDADCONFIABILIDADFACILIDAD DE EXPANSIÓNSIMPLICIDADECONOMIA

4. NORMAS Y REGLAMENTOS

Deben cumplir con las partes aplicables de la última edición de las normas que se indica acontinuación:

ANSI: American National Standard Institute.NEMA: National Electric Manufactures Association.

ASTM: American Society of Testing Materials.NMX-J-118: Norma Mexicana para Equipo Eléctrico.NFPA National Fire Protecction Association.NEC National Electrical Code.IEEE Institute of Electrical and Elelctronic Engineers.NOM-001-SEDE-1999 Norma Oficial Mexicana relativa a las

instalaciones destinadas al suministro y uso de laenergía eléctrica.

5. OBJETIVO Y NATURALEZA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA. La correcta conexión a tierra de todo el sistema eléctrico, es un factor de suma

importancia para la seguridad del personal y del equipo eléctrico en sí.El propósito que se persigue con la existencia de los sistemas de tierra es:a) Protección para el personal operativo, autorizado o no autorizado.b) Protección a los equipos e instalaciones contra tensiones peligrosas.c) Evitar que durante la circulación de falla a tierra, se produzcan diferencias

de potencial entre distintos puntos de la instalación, proporcionando paraesto, un circuito de muy baja impedancia para la circulación de estascorrientes.

d) Apego a normas y reglamentos públicos en vigor.





6. CONSTITUCIÓN DE UN SISTEMA DE TIERRA.

Una instalación de puesta a tierra se compone esencialmente de electrodos, que son loselementos que están en íntimo contacto con el suelo (enterrados) y de conductores,utilizados para enlazar a los electrodos entre si y a éstos, con los gabinetes de los equiposy demás instalaciones expuestas a corrientes nocivas, manteniendo al mismo tiempo, unasuperficie equipotencial a su alrededor.

Sobre este tema, la NOM-001-SEDE-1999 señala en su capítulo para subestaciones, queel área de la sección transversal mínima de los conductores para una malla de tierra es de107.2 mm2 (4/0 AWG).

La resistencia eléctrica total del sistema de tierra, debe conservarse en un valor (incluyendo todos los elementos que forman al sistema) menor a 25 OHMS, parasubestaciones hasta 250 KVA y 34.5 KV., 10 ohms en subestaciones mayores a 250KVA hasta 34.5 KV y de 5 ohms, en subestaciones que operen con tensiones mayores alos 34.5 KV.

7. DETERMINACIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La resistividad del terreno es de 100 Ohms / metro, la cual se determino en base a tablas,considerando que el terreno esta compuesto principalmente por arcillas.

8. CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS

Para la correcta operación del sistema eléctrico y dado que se involucran equiposelectrónicos, se construirán cuatro tipos de sistema de tierras:Sistema de Tierras para Electrónica.Sistema de Tierras para Fuerza.Sistema de Tierras de Pararrayos:Sistema de tierras para señales electromagnéticas y cargas estáticas.

8.1 Sistema de Tierras para Electrónica.

Utilizado para la puesta a tierra de los equipos electrónicos y de control, consta de unaserie de electrodos instalados remotamente del local de unidades de energíaininterrumpible del edificio inteligente, enlazados entre si por medio de cobre desnudo Cal.4/0 AWG. En el interior del local de las unidades de energía ininterrumpible del edificio

inteligente, se instalo una barra de cobre electrolítico de 3.600 x 0.1016 x 0.009525 mts.,montada a 2.60 mts. sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es deuso exclusivo para el sistema de electrónica. Conectada a el sistema de tierras remotasmediante cable de cobre Cal. 4/0 AWG. Aislamiento THW – LS 90 °C, con marcas en losextremos y a intervalos no mayores de 3.0 color verde; a las concentraciones de tablerospara cada nivel de cada modulo, los tableros para el sistema regulado de energía seconectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor termomagnético principal de cada tablero, de características similares al Cal. 2 AWG ydejando como preparación cocas de cable.





Dado que en este sistema no se considera la conducción a tierra de grandes corrientes defalla, para su elección se considera la resistividad existente en el terreno, el tipo deelectrodo instalado y lo estipulado en la NOM-001-SEDE-1999, relativo a la sección deconductores utilizados para la puesta a tierra de equipos, seleccionados en función de lacapacidad del interruptor que protege a los circuitos en cuestión.

Como electrodo de puesta a tierra se utiliza el tipo EP - ET, marca Parres ó similar,construido de cobre electrolítico aleación 110 de contenido químico a base de magnesio,coke y sulfato de cobre con un recubrimiento plateado y 19 cm. de diámetro por 119 cm.de longitud. Este sistema debe estar completamente aislado del sistema de tierras depararrayos y enlazado al sistema de tierras para fuerza, por medio de un puente deconexión. en el edificio de distribución.

La resistencia a tierra máxima en este sistema debe ser de 2 Ohms, en el caso de noalcanzar la resistencia deseada, se instalara, algún elemento químico para reducir laresistividad del terreno y alcanzar así, la resistencia a tierra requerida.

8.2 Sistema de Tierras para Fuerza.

Utilizado para conectar a tierra todos los elementos de la instalación que en condicionesnormales de operación no están sujetos a tensiones, pero que pueden tener diferencia depotencial con respecto a tierra a causa de fallas accidentales en los circuitos eléctricos, asícomo los puntos de la instalación eléctrica en los que es necesario establecer unaconexión a tierra para dar mayor seguridad, mejor funcionamiento y regularidad en laoperación y en fin, todos los elementos sujetos a corrientes eléctricas importantes de cortocircuito y sobretensiones en condiciones de falla.

Este sistema se constituye de una malla de tierras remota localizada en la zona de hombremuerto entre los edificios E y D, consta de una serie de electrodos enlazados entre si, conun cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, de la malla del sistema de tierras se llega a ellocal de la subestación eléctrica principal en la planta sótano del edificio inteligente E,mediante cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG, a una barra de cobre electrolítico de3.600 x 0.1016 x 0.009525 Mts., montada a 2.60 Mts. sobre nivel de piso terminado conuna leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para el sistema de fuerza. En lastrincheras del local se transportara el conductor de cobre desnudo para la conexión a tierrade los elementos metalicos de la subestación. La puesta a tierra de los elementos se haramediante cable de cobre desnudo Cal 1/0 AWG. a las concentraciones de tableros paracada nivel de cada modulo, los tableros para el sistema normal – emergencia de energíase conectaran con cables paralelos de calibre adecuado a la capacidad del interruptor

termomagnético principal de cada tablero.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 Ohms. Parala conexión a tierra de los equipos, se instalarán en los edificios, una barra de cobreelectrolítico de 1.500 x 0.1016 x 0.009525 Mts., montadas en todos los casos a 0.60 Mts.sobre nivel de piso terminado con una leyenda indicativa, que es de uso exclusivo para elsistema de fuerza en las concentraciones de tableros de cada nivel de cada modulo.





8.3 Sistema de Tierras en Pararrayos.

Como su nombre lo indica, se destina para drenar a tierra las corrientes producidas por descargas atmosféricas y se conforma con electrodos tipo copperweld, Marca Mexerico osimilar y cable tipo pararrayos de cobre Clase 1, 27 hilos, Marca Condumex o similar.La distancia del edificio con respecto al hincado del electrodo, no debe ser menor a 2.50Mts. y debe quedar totalmente aislado de los sistemas de tierras para fuerza y paraelectrónica.

La resistencia a tierra en cualquier punto del sistema, no debe ser mayor a 10 ohms, paralo cual en caso necesario, se implementarán arreglos de electrodos en Delta y/o unagregado de elementos químicos para reducir la resistividad del terreno, recomendadospor la NOM-001-SEDE-1999 Art. 250-83.

8.4 Sistema de Tierras Para Señales Electromagnéticas y Cargas Estáticas.

El principio utilizado para este sistema es el de una jaula de Faraday, que es en pocaspalabras un cuarto blindado contra interferencias de radiofrecuencias. Esta jaula aisla alreceptor de las fuentes radiacionales y permite observar con precisión su funcionamientocon señales debiles calibradas que se generan cuidadosamente en el interior de la jaula,teniendo así un medio libre de interferencia en el cual es posible efectuar medidas a bajonivel.

Para el blindaje de campos magnéticos, el material debe tener propiedadesferromagnéticas.

El hecho que exista una conexión de la jaula a una tierra directa no tiene el menor efectosobre las propiedades de un blindaje.

Las características principales que deben cuidarse en la construcción de una jaula deFaraday son: La atenuación, en su valor mínimo garantizado, la gama de frecuenciaprotegida, el tipo de interferencias que debe blindarse, ventilación adaptabilidad parahacer modificaciones, tipo de entrada y alambrado.

En caso de ser necesario una gran atenuación, el blindaje puede constar de variasparedes que formen casquetes concéntricos aislados entre si,

Como se están considerando campos magnéticos de muy alta frecuencia y microondas seutilizara lamina sólida perforada de acero, fija sobre un marco de madera. La cosntrucción

de la jaula de Faraday se realizara de manera que el blindaje interior y el exterior seconecten en un solo punto. A fin de reducir los efectos de antena debido a laspenetraciones de elementos metálicos como grapas clavos, etc, para la fijación de laslaminas en el bastidor de madera, se procura evitarlas y si es preciso se aplica soldadurapara que formen una sola pieza con el blindaje, o bien la utilización de clavos de plasticode diámetro inferior a la abertura normal de la malla.

Para evitar los efectos de inducción de campo magnético por la penetración del blindajepor partes metálicas, ya sea del interior al exterior o viceversa, se utilizaran filtros en las





entradas de todo alambre que penetre, incluyendo tierras, y preferiblemente se localizancerca del punto de conexión entre el blindaje interior y exterior.

Se acostumbra emplear un transformador de aislamiento antes del filtro para tener laalimentación desconectada de la tierra y evitar accidentes a personas en el interior de la

jaula

Se recomienda que se instalen entradas hermeticas de doble puerta, para mantener elblindaje todo el tiempo.

Este sistema se constituye de dos o mas mallas de tierras conformando un blindajeconcentrico del cuarto electrico localizada en la zona del site,

9 DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRAS PARA LA SUBESTACION ELECTRICADEL EDIFICIO INTELIGENTE.

En sotano del edificio E, se alojaran dos subestaciones eléctricas constituidas por tres

transformadores de 750 KVA, con relación de transformación de 23,000-480/277 Volts,conexión Delta - Estrella enfriamiento a base de silicón líquido.

La limitación de sobretensiones son particularmente importantes en sistemas que operan avoltajes mayores a los 1,000 volts, ya que los equipos para esta clase de voltaje estándiseñados con menor margen que los de baja tensión, refiriéndose a las pruebas de 60 Hzy al voltaje de operación.

9.1 Determinación de la corriente de corto circuito de falla a tierra.

Para la determinación de las corrientes de corto circuito, se utilizó el método por unidad(ver memoria de cálculo de corto circuito), dando como resultado en el bus principal de

media tensión, un valor de:

Para la determinación de las corrientes de corto circuito, se utilizo como potencia decortocircuito 300 MVA, trifásico, en cada una de las acometidas de la subestación.

I MVA

KV CC =

×3

Donde:Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.MVA = Potencia de cortocircuito ttrifasica en MVA.KV = Tension de suministro en KV.

De las condiciones del problema tenemos:

I CC =×

300

3 23

I AmpCC = 7 530 65, . .





9.2 Ajuste de la corriente de falla.

Cualquier ampliación que sufra este sistema posterior a lo considerado, será en forma detransformadores independientes, por lo que este factor es igual a uno ( A = 1 ).

9.2.1 Por tiempo de duración de la falla.

Se considera que al ocurrir una falla a tierra, los interruptores operan eliminando la falladel sistema, lógicamente tendremos un tiempo de duración de la falla menor a 0.1segundos que equivale a 6 ciclos, por esta razón aplicaremos un factor de 1.25 (D = 1.25)según la siguiente tabla:

Duración de laFalla (ciclos)

Factor deDecremento (D)

0.5 1.656 1.25

15 1.10

30 ó más 1.10Entonces la corriente de falla quedará:

I I A DCC CC = × × Donde:Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.A = Factor de seguridadD = Factor de decremento.De las condiciones del problema tenemos:

I CC = × ×7530 10 125. . I AmpCC = 9 41331, . .

9.3 Diseño de malla propuesto.

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

2

2

2

2

Acot. en Mts.





Cable de cobre desnudo Cal. 4/0 AWG.

Electrodo de tierra.

L = Longitud de conductor ( L ) = 300.0 mts.

Profundidad de enterramiento = 0.60 mts. (considerados desde el lecho bajode loza)

Area (A) = ancho x largo = 213.64 mts.2.

Número de conductores transversales menos dos (N) = 6

9.3.1 Radio Equivalente ( r )

r Ar

=π

Donde:r = Radio equivalente en m.

Ar = Area total encerrada por el la malla propuesta m 2


r =224

π

r m= 8 44. . Resistencia esperada en la malla:

Rr L

= + ρ ρ 4

Donde:R = Resistencia de la malla esperada en Ohms.r = Radio equivalente en m.

ρ = Resistividad del terreno Ohms metro.

L = Longitud del conductor en m.De las condiciones del problema tenemos:

R =×

+100

4 8444

100

300.

r Ohms= 3294. .

9.4 Cálculo de la Sección del Conductor:

De la tabla de Onderdonk, considerando conexiones soldables y una falla con duraciónmenor a los 0.1 segundos, tenemos que el calibre mínimo recomendado para evitar lafusión del cable se detemrina con la constante 6.5 c.m./amp., por lo que la sección mínimadel conductor será:





S I K CC ON = × Donde:S = Seccion del conductor en c m.KON = Constante de Onderdonk.De las condiciones del problema tenemos:

S = ×9 413 32 65, .. .

S cm= 61187,

Equivalente al calibre 1/0 AWG, pero se utilizará el mínimo recomendable por la norma deCal. 4/0 AWG, con sección 107.2 mm 211,600 c m..

9.41 Cálculo de la longitud necesaria de conductor:

La longitud se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:

L k k I t m i CC

s

= × × × ×+ × ρ

ρ 116 017.

Donde: L = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro

de los límites de seguridad.

km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla. Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra. ρ = Resistividad del terreno.

t = Duración máxima de la falla. ρs = Resistividad en la superficie del terreno.

Cálculo de km.

( )

( )k

D

hd

n

nm =

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠⎟ +

× × × × −

× × × × −

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠⎟

1

2 16

1 3 5 7 2 3

4 6 8 2 2

2

π π ln ln

...

...

Donde: Km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla.

D = Espaciamiento entre conductores en la malla.

d = Diámetro de los conductores. h = Profundidad de enterramiento del conductor. n = Número de conductores transversales paralelos. De las condiciones del problema tenemos:

k m =× ×

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠⎟ +

× × × × ×× × × × ×

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠⎟

1

2

2

16 060 001168

1 3 5 7 9 11 13

4 6 8 10 12 14

2

π π ln

. .ln

k m = 0292.





Cálculo de Ki :k ni = +065 0172. .

Donde: Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra. n = Número de conductores transversales paralelos. De las condiciones del problema tenemos:

k i = + ×0 65 0 172 8. .

k i = 2 026. La longitud mínima de cable enterrado debe ser:

L =× × × ×

+ ×0292 2 026 100 941332 01

116 017 5000

. . . .

.

L m= 182 3. La longitud de calculo es menor que la indicada en la configuración de la malla.

182.3 < 3000.0 Mts.

9.5 Cálculo del potencial tolerables.

Maximo aumento de potencial E en la red. E I RCC = ×

Donde: E = Potencial máximo de la malla.Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.R = Resistencia de la malla esperada en Ohms.De las condiciones del problema tenemos:

E = ×9413 32 3 294. . E Volts= 31007 45, .

Potencial soportable por el cuerpo humano Voltaje de paso.

E t

PT

s=+116 0 7. ρ

Donde:

EPT = Voltaje de paso tolerable para el cuerpo humano.t = Duración máxima de la falla. ρs = Resistividad en la superficie del terreno. De las condiciones del problema tenemos:

E PT =+ ×116 07 5000

01

.

.

E PT = 114348, . VoltsPotencial soportable por el cuerpo humano Voltaje de contacto.

E t

CT

s=+116 017. ρ

Donde:





ECT = Voltaje de contacto tolerable para el cuerpo humano.t = Duración máxima de la falla. ρs = Resistividad en la superficie del terreno.


E CT =+ ×116 017 5000

01

.

.

E CT = 3 054 80, . Volts

9.6 Cálculo del potencial de contacto o de malla.Emplearemos la siguiente fórmula:

V k k I

LC

m i CC

T

=× × × ρ

Donde: VC = Voltaje de contacto o de malla.LT = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro de los límites de

seguridad.

km = Factor que depende del dimensionamiento de la malla. Ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra. ρ = Resistividad del terreno.

Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.De las condiciones del problema tenemos:

V C =× × ×0292 2 026 100 9 41332

300

. . , .

V C = 185628, .

9.7 Cálculo del potencial de paso.

V k k I

LP

s i CC

T

=× × × ρ

Donde:

VP = Voltaje de paso o de malla.LT = Longitud de conductor enterizado para mantener el voltaje de malla dentro de los límites de

seguridad.

ks = Factor que. ki = Factor de corrección por irregularidad del flujo de corriente a tierra.

ρ = Resistividad del terreno. Icc = Corriente de corto circuito trifasica en Amp.De las condiciones del problema tenemos:

V P =× × ×05601 2 026 100 9 41332

300

. . , .

V P = 356063, . Cálculo de Ks :





( )k

h D h D D n Ds = +

++ + + +

−

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

1 1

2

1 1

2

1

2

1

1π ...

Donde: ks = Factor que. D = Espaciamiento entre conductores en la malla.

h = Profundidad de enterramiento del conductor. n = Número de conductores transversales paralelos. De las condiciones del problema tenemos:

k s =×

++

+×

+×

+×

+×

+×

+×

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

1 1

2 0 60

1

2 0 0 60

1

2 2 0

1

3 2 0

1

4 2 0

1

5 2 0

1

6 2 0

1

7 2 0π . . . . . . . . .

k s = 05601. Numero mínimo de varillas requerido:

N AV r

= ×0 60.

Donde:

Ar = Area total encerrada por el la malla propuesta m 2

NV= Numero mínimo de varillas.


N V = ×0 60 224. N V = 8 98.

El numero de electrodos colocados en la malla, son 10.

Verificacion de las condiciones de seguridad.V E P PT ⟨

V E C CT ⟨ De las condiciones del problema tenemos:

3 560 63 11 434 80, . , .⟨

1856 3 3 054 76, . , .⟨ Como el potencial tolerable por el cuerpo humano VCH es superior a la elevación delpotencial de malla calculado, el arreglo seleccionado en este punto es aceptable.

ANEXO 3





TIERRAS QUIMICAS

Procainsa, S.A.E-mail: [email protected]

ANTECEDENTES

Los sistemas de puesta a tierra han sufrido en los últimos años un proceso dedegradación, si consideramos la sustitución de las clásicas placas-estrella o similares, por las jabalinas.En este mismo sentido, la calidad de las citadas jabalinas se ha deteriorado de formaalarmante.Ante ello se ha diseñado un electrodo que permite mejorar sustancialmente los sistemasconvencionales de puestas a tierra.

PLACAS-ESTRELLA, PLANCHAS O SIMILARES

Las puestas a tierra mediante placas-estrella, planchas o similares, tienen un sistema deconstrucción parecido, basado en la abertura de un pozo o zanja de 2 a 3 m3 y rellenomediante tierra vegetal y otros aditivos para disminuir la resistividad del terreno(tratamiento Ledoux).w

Los valores de resistencia eléctrica de puesta a tierra obtenidos en estas instalacionespueden considerarse como aceptables. Debido a la falta de compactación del suelo, estosvalores tienden a mejorar un tiempo después de su instalación, manteniéndose establesdurante un plazo que oscila entre 5 y 10 años.

JABALINAS O PICAS CONVENCIONALES Fe/Cu - Fe Galvanizado

Las picas o jabalinas constituyen el sistema más extendido de puestas a tierra debido a sufácil instalación.

Considerando que la introducción de estas se realiza por hincado, los valores deresistencia de puesta a tierra son obtenidos de forma inmediata, y son mejores a los delsistema de placa. No obstante, estos valores deben entenderse como exclusivamentecircunstanciales, ya que por efecto de la corrosión sobre el acero, la velocidad de pérdidade la resistencia inicial es muy rápida, y más aún, cuando la calidad de los recubrimientosde cobre o zinc ha ido reduciéndose o se deterioran durante el proceso de hincado.

ELECTRODOS DE GRAFITO RÍGIDO





La conformación del electrodo de grafito rígido en forma de ánodo, con un activador-conductor de relleno para la mejora de la intimación con el terreno, hacen que estesistema de puesta a tierra, sea de alta fiabilidad.Al tratarse de un electrodo constituido enteramente por grafito, no se encuentra afectadointensamente por la corrosión a diferencia de lo que ocurre con los metales.

En cuanto a los valores de resistencia de puesta a tierra en suelos de diferentesresistividades, su comportamiento es muy similar o incluso mejor al de las placas estrella,y mucho mejor al de las jabalinas convencionales. Paralelamente, la evolución de estosvalores con el paso del tiempo, es inmejorable dada su baja velocidad de desgaste por corrosión, y por tanto su vida útil es en principio ilimitada en comparación con los sistemastradicionales.

Así, la propia naturaleza del electrodo, sus dimensiones y el activador conductor envolvente, hacen que este no necesite ningún mantenimiento (regado o mineralizado) tanfrecuente en los demás sistemas.

Por todas estas características, el electrodo de grafito rígido es el ideal para puestas atierra superficiales y profundas ya que garantizan su larga durabilidad y un rendimientomás que aceptable.





PICAS DE ZINC

Las picas de Zinc constituyen una solución ideal para la protección catódica contra lacorrosión de los sistemas de puesta a tierra cuando éstos están constituídos por conductores de acero galvanizado. Previenen ademas los pares galvánicos tan frecuentesen sistemas de puesta tierra de estructuras de acero (tanques enterrados, o bases detanques aéreos) frente a conductores de cobre desnudo. Las recientes normas MIE-ITC-

01 y MIE-ITC-02 obligan a la instalación de puestas a tierra con conductor de acerogalvanizado (o cobre aislado) y picas de Zinc en refinerías y parques de tanques dealmacenamiento de combustibles. Estas consideraciones técnicas son extensibles ainstalaciones como gasolineras (MIE-ITC-04), plantas químicas, etc.

Las principales características de estas picas son;

a) Buen rendimiento por su baja resistencia eléctrica

b) Gran superficie de dispersión y buena intimación con el terreno ya que se presentancon saco relleno de activador-conductor en base bentonítica

c) Fácil manipulación y fácil instalación por cualquier usuario

d) Posibilidad de determinar su estado de degradación sin desenterrarlas





ELECTRODOS DE PICRON

Los electrodos de PICRÓN han sido diseñados para sistemas de puesta a tierra de altasprestaciones, especialmente para puestas a tierra profundas, en terrenos pantanosos, conniveles freáticos altos (zonas deltaicas) e incluso en aguas muy agresivas (ambientesmarinos o directamente en agua de mar), para instalaciones eléctricas de alta y bajatensión, pararrayos, y equipamientos informáticos o de robótica.

Los electrodos de PICRÓN pueden considerarse el sistema de puesta a tierra de mayor garantía y estabilidad del mercado.

Sus principales características son:

a) Duración ilimitada (vida >30 años), debido a su mínima degradación por corrosión





b) Pueden utilizarse bajo forma de electrodos únicos o electrodos en cadena, parainstalación en perforaciones verticales desde diámetros de 160 x 3000 mm, o bien puedeninstalarse directamente depositados sobre sedimentos marinos

c) Nulo mantenimiento, pues no requieren regados periódicos para establecer suconductividad

Para mayor información consulte nuestros informes técnicos o pongase en contacto connosotros:

Procainsa, S.A.E-mail: [email protected]/ Major, 40 - 08221 TERRASSA (Barcelona)Tel. 93-786-14-54 - Fax. 93-783-20-36





ANEXO 4

Calculo del Sistema de Tierras Triangular

Debido a la alta resistividad del concreto se opto por implantar un sistema de tierras abase de dos arreglos con varilla tipo copperweld de 3.05 mts. de longitud y 1.6 cm. dediámetro en configuración delta instalados en el área jardinada a un costado del local queocupa la subestación eléctrica.

El objetivo principal de un sistema de tierras es la protección de las personas, los equipose instalaciones contra tensiones peligrosas y al mismo tiempo dar confiabilidad ycontinuidad al servicio eléctrico, creando para esto un circuito de muy baja impedanciapara la circulación a tierra de corrientes de falla y las producidas por descargasatmosféricas.

La norma oficial mexicana NOM-001-SEMP-1994 establece un valor de resistenciamáxima en el sistema de tierras de 25 Ohms para subestaciones de hasta 250 KVA y 34.5KV así mismo establece que el calibre mínimo del conductor para la red de tierras es de4/0 AWG (107.2 mm2 ) de cobre.

Veamos esto con un ejemplo consistente en calcular la resistencia a tierra de unasubestación eléctrica del tipo poste con transformador de distribución trifásico tipo postede 30 KVA, relación de transformación 13200 / 220-127 Volts, 60 Hz, conexión delta -estrella con neutro aterrizado, enfriamiento OA considerando el terreno donde se instala elsistema de tierras como arenoso, climoso, saturado alto grado de humedad con una

resistividad promedio de 200 Ohms - metro y utilizando como electrodos para configurar las delta, varillas del tipo copperweld con una longitud l= 305 cm, radio a=0.8 cm y unaseparación entre electrodos de 300 cm en configuración delta.

Para el cálculo de la resistencia del sistema de tierras con un arreglo en delta se tomó laformula para calcular la resistencia a tierra de dos varillas con una distancia de separación“S” entre si, un radio “a” y una longitud “L” de las varillas.

2.50 m

3.00 m3.00 m

3.00 m





S= 3.00 M.L= 3.05 M.a= 0.008 M.P= 50 ohms - metro

R= P _ [ log 4L + log 4L - 2 + S_ - S2 _ + S4 _ ]

4π L a S 2L 16 L2

512 L4

R= 50 [ log 4(3.05) + log 4(3.05) - 2 + 3 _ - (3)2 + (3)4 ] 4π (3.05) 0.008 3.00 2 (3.05) 16 (3.05)2 512 (3.05)4

R= 1.3045 (3.183 + 0.609 - 2 + 0.492 - 0.060 + 0.0018 )

R= 5.2182 (2.2258)

R= 2.90 Ohms.

Con esto calculamos la resistencia que nos da el arreglo en delta.

R1 = R2 = R3 = 2.90 Ohms.

RT = 1 _ = 1 _

1 + 1 _ 1 _ + 1 _ R1 R2 + R3 2.90 2.90 + 2.90

RT = 1 _ = 1 _ 0.3444 + 0.1724 0.5168

RT = 1.93 Ohms

2.50 m R1

R3

R2





ANEXO 5





TIPOS DE CONEXIONES SOLDADAS CON TERMOFUSIÓN.





Según laNCH-4/2003 DEFINE:

4.1.32.- TIERRAS

4.1.32.1.- Tierra de referencia: Electrodo de tierra usado para efectos de medición ocomparación, instalado en una zona del suelo, en particular de su superficie, losuficientemente alejada del electrodo de tierra a medir o del punto decomparación, como para que no se presenten diferencias de potencial entredistintos puntos de ella. Ver figura 1.

4.1.32.2.- Tierra, electrodos de: Son conductores desnudos, enterrados, cuya finalidad esestablecer contacto eléctrico con el suelo.

4.1.32.3.- Tierra, línea de: Conductor que une el electrodo de tierra con el punto de lainstalación eléctrica que se quiere poner a tierra.

4.1.32.4.- Tierra, poner a: Consiste en unir un punto del circuito de servicio o la masa dealgún equipo con el suelo.

4.1.32.5.- Tierra, puesta a: Conjunto de electrodos y líneas de tierra cuya finalidad esestablecer el contacto eléctrico con el suelo.

4.1.32.6.- Tierra, resistencia de puesta a: Valor de resistencia eléctrica medido entre unelectrodo de tierra y una tierra de referencia, más la resistencia eléctrica de lalínea de tierra.

4.1.32.7.- Tierra, resistividad específica de: Es la resistencia eléctrica específica del sueloen consideración; usualmente se representa como la resistencia de un cubo de aristaunitaria, medida entre dos caras opuestas de él. En el sistema internacional deunidades su unidad será el Ohm*m2/m = Ohm*m.

9.2.7.4.- Neutralización. Este sistema consiste en unir las masas de la instalación alconductor neutro, de forma tal que las fallas francas de aislación se transformenen un cortocircuito fase-neutro, provocando la operación de los aparatos deprotección del circuito. Ver hoja de norma Nº 14.

En la implementación de este sistema se pueden adoptar dos modalidades: laconexión directa de las carcazas al neutro de la instalación, figura 1 de hoja denorma Nº 14, o la conexión de las carcazas a un conductor de protección asociadoal neutro de la instalación, figura 2 de hoja de norma Nº 14. Sin embargo, para los

fines de aplicación de esta Norma sólo se considerará aceptable la Neutralizacióncon un conductor de protección asociado al neutro.

Apuntes Mallas a Tierra-comp

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