Cap 9 Sistemas de Aterramiento

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CAP. 9 CAP. 9 SISTEMAS DE ATERRAMIENTOSISTEMAS DE ATERRAMIENTO

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Para que un sistema de Energía Eléctrica opere

correctamente, es importante que el aterramiento merezca un cuidado especial, para proveer una adecuada continuidad de servicio, un desempeño seguro de la protección y limitar los niveles de seguridad personal.

Este cuidado debe ser traducido en la elaboración de proyectos específicos, en los cuales, con base de datos disponibles y parámetros prefijados, sean consideradas todas las posibles condiciones que el sistema puede estar sometido

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Los objetivos principales del aterramiento son: Obtener una resistencia de aterramiento la más baja

posible, para corrientes de falla a tierra. Mantener los potenciales producidos por las corrientes de

falla dentro de límites de seguridad de modo de no causar fibrilación.

Hacer que los equipos de protección sean más sensibilizados y aíslen rápidamente las fallas a tierra.

Proporcionar un camino adecuado para descargas atmosféricas.

Usar la tierra como retorno de corriente en el sistema MRT (Retorno por Tierra).

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Existen varias maneras para aterrar un sistema eléctrico, desde una simple jabalina, pasando por placas de formas y tamaños diversos, llegando a las más complicadas configuraciones de cables enterrados en el suelo.

Un dato importante, en la elaboración del proyecto del aterramiento, es el conocimiento de las características del suelo, principalmente su resistividad eléctrica.

Además de la importancia del conocimiento de la resistividad eléctrica del suelo para la ingeniería Eléctrica en términos de protección y seguridad

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RESISTIVIDAD DEL SUELORESISTIVIDAD DEL SUELOVarios factores influencian en la resistividad del suelo, se

pueden resaltar:Tipo de sueloMezcla de los diversos tipos de sueloSuelos con camadas (capas) estratificadas con profundidad y

material diferentes.Grado de humedadTemperaturaCompactación y presiónComposición química de las sales disueltas en el agua retenida.

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TIPO DE SUELO RESISTIVIDAD ( Ώ.m)

Lama 5 a 100

Tierra de jardín con 50% de humedad 140

Tierra de jardín con 20% de humedad 480

Arcilla seca 1.500 a 5.000

Arcilla con 40% de humedad 80

Arcilla con 20% de humedad 330

Arena mojada 1.300

Arena seca 3.000 a 8.000

Calcario compacto 1.000 a 5.000

Granito 1.500 a 10.000

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HUMEDAD.HUMEDAD.La resistividad del suelo sufre alteraciones con la humedad. Esta variación ocurre en virtud de la conducción de cargas

siendo la misma predominante iónica. Una cantidad de humedad mayor hace que las sales

presentes en el suelo, se disuelvan, formando un medio electrolítico favorable al paso de la corriente iónica.

Así, un suelo específico, con aún concentración diferente de humedad presenta una gran variación en su resistividad.

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INDICE DE HUMEDAD(% por peso)

RESISTIVIDAD (.m)(Suelo Arenoso)

0 10.000.000

2.5 430

10.0 185

15.0 105

20.0 63

30.0 42

la tabla siguiente presenta las variaciones de resistividad de suelo arenoso.

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En general, la resistividad ( ) varia acentuadamente con la humedad en el suelo. Ver la tabla.

Se concluye, por lo tanto que el valor de la resistividad del suelo acompaña los periodos de sequía y lluvia de una región. Los aterramientos mejoran en sus cualidades con suelo húmedo, y empeoran en el periodo de sequía.

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TEMPERATURATEMPERATURAPara el suelo arenoso, se

mantiene todas las demás características y variándose la temperatura, su resistividad se comporta por ejemplo, de acuerdo con la tabla siguiente.

TEMPERATURA(°C)

RESISTIVIDAD (.m) (Suelo Arenoso)

20 72

10 99

0 (agua) 138

0 (hielo) 300

- 5 790

- 15 3.300

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De una manera genérica las características de un determinado suelo sometido a variación de la temperatura puede ser expresada por la curva de la figura.

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A partir del mínimo, con el decrecimiento de la temperatura, el agua se va contrayendo, aglutinándose y produciendo una dispersión en las ligaciones iónicas entre los gránulos de tierra en el suelo, traduciendo en un mayor valor de la resistividad.

En el punto de temperatura de 0°C (agua) la curva sufre discontinuidad aumentando el valor de la resistividad en el punto 0°C (hielo), esto se debe porque ocurre un cambio brusco en el estado de la ligación entre los gránulos que forman la concentración electrolítica.

Con un mayor decrecimiento en la temperatura hay una concentración en estado molecular tornando el suelo más seco, aumentando así su resistividad.

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En el otro extremo, con temperaturas elevadas, próximas de 100°C, el estado de vaporización, deja el suelo mas seco, con la conformación de burbujas internas, dificultando la conducción de la corriente, consecuentemente, elevado el valor de la resistividad.ESTRATIFICACIÓNESTRATIFICACIÓN

Los suelos en la gran mayoría no son homogéneos y son formados por diversas camadas de resistividad y profundidad diferente.

Esas camadas, debido a la formación geológica, son en general horizontales y paralelas en la superficie del suelo.

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Existen casos en que ellas se presentan inclinadas y hasta verticales debido a alguna falla geológica.

Entretanto, los estudios presentados para analizar el perfil del suelo consideran las camadas aproximadamente horizontales, una vez que otros casos son menos típicos, principalmente en el lugar exacto de la instalación de la subestación.

Como resultado de la variación de la resistividad de las camadas del suelo, tiene la variación de la dispersión de corriente.

En las figuras respectivas se tiene el comportamiento de los flujos de la dispersión de corrientes en un suelo heterogéneo, alrededor del aterramiento.

Las líneas punteadas son las superficies equipotenciales. Las líneas llenas son las corrientes eléctricas fluyendo para el

suelo.

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Salinidad del terrenoAl aumentar la salinidad del terreno disminuye la

resistividad.Al hablar de la influencia del agua en la resistividad del

terreno se ha mencionado indirectamente la importancia que tiene la salinidad o el contenido de sales en el terreno.

Un terreno puede mejorar sensiblemente su valor de resistividad aparente o incluso hacer bueno un terreno de alta resistividad simplemente añadiéndole sales.

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El método más utilizado para la mejora de la resistividad del terreno es añadir sal en las arquetas de los puntos de puesta a tierra o cerca de los electrodos si son accesibles, y después regar.

Variación de la resistividad en función de la salinidad en %

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CONEXIÓN A TIERRACONEXIÓN A TIERRACuando ocurre un cortocircuito envolviendo a la tierra, se espera

que la corriente sea elevada para que la protección pueda operar y actuar con fidelidad y precisión eliminando así el defecto lo más rápido posible.

Durante el tiempo en que la protección aun no esta, la corriente de defecto que recorra por el suelo, genera potenciales distintos en las masas metálicas y superficie del suelo.

Por lo tanto, se procura efectuar una adecuada conexión a tierra de los equipos eléctricos, para tener mejor aterramiento posible dentro de las condiciones del suelo, de modo que la protección sea sensibilizada y los potenciales de toque y paso queden bajo los límites críticos de la fibrilación ventricular del corazón.

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SISTEMAS DE ATERRAMIENTOSISTEMAS DE ATERRAMIENTOLos más diversos tipos de aterramiento deben ser de

modo de garantizar la mejor conexión íntima con la tierra. Los tipos principales son:

Placas enterradas. Las placas de cobre tendrán un espesor mínimo de 2 mm. y las de hierro galvanizado de 2,5 mm.

En ningún caso la superficie útil de la placa será inferior a 0,5 m2. Se colocan en el terreno en forma vertical, en caso necesario se colocan varias placas con separación de unos 3 metros.

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Jabalinas.Jabalinas. Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son necesarias 2 jabalinas conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia de puesta atierra admisible, la separación entre ellas debe ser, al menos, igual a la longitud enterrada de las mismas.

Conductores enterrados horizontalmenteConductores enterrados horizontalmente. Estos conductores pueden ser:

Conductores de cobre desnudo 2 AWG como mínimo Pletinas de cobre de 35 mm2 de sección, como mínimo Pletinas de acero galvanizado de 100 mm2 de sección, como

mínimo Cables de acero galvanizado de 95 mm2 de sección como mínimo Alambres de cobre de 20 mm 2 de sección mínima, cubiertos con

una capa de cobre de 6 mm 2, como mínimo

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Jabalinas.Jabalinas. Las longitudes mínimas de estos electrodos no serán inferiores a 2 m. Si son necesarias 2 jabalinas conectadas en paralelo con el fin de conseguir una resistencia de puesta atierra admisible, la separación entre ellas debe ser, al menos, igual a la longitud enterrada de las mismas.

La normativa actual separa las jabalinas de 2 m de longitud 4 metros, es decir, 2 veces la longitud enterrada, y uniendo las jabalinas con cable de cobre desnudo y enterrándolo, de forma que se convierta esta unión en un electrodo adicional, obteniéndose con este sistema los siguientes resultados:

1 jabalina de tierra de 2 m de longitud tiene una resistencia: R. 2 jabalinas de tierra de 2 m de longitud tienen una resistencia: R/2. 3 jabalinas de tierra de 2 m de longitud tienen una resistencia: R/3. 4 jabalinas de tierra de 2 m de longitud tienen una resistencia: R/4.

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Mallas.Mallas. Sistema enmallado de tierra con múltiples electrodos y

conductores enterrados a una profundidad que varía de 0.30 a 1.00 m, colocados paralela y perpendicularmente formando retículas cuadradas con espaciamiento adecuado a la resistividad del terreno.

Este sistema se utiliza particularmente, cuando están involucradas tensiones y corrientes muy altas, con el fin de minimizar los riesgos del personal en función de la tensión eléctrica de paso y de contacto.

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ATERRAMIENTO DE PARTES Y EQUIPOSATERRAMIENTO DE PARTES Y EQUIPOS En términos de seguridad, deben ser aterrados todas las partes

metálicas que posean eventualmente contacto con partes energizadas.

Si un contacto accidental ocurre en la mesa metálica aterrada, un cortocircuito se establecerá, provocando la apertura de la protección interrumpiendo la conexión del circuito energizado con la masa.

Por lo tanto, a partir del sistema de aterramiento, se debe proveer la conexión de las partes metálicas de los equipos.

Dentro de una residencia deben ser aterrados: aire acondicionado, ducha eléctrica, chimenea, cuadro de medicación y distribución, lavadora y secadora de ropa, lava loza, refrigerador y frezer, horno eléctrico, tubería metálica, tubería de cobre de los calentadores, cercas metálicas largas, postes metálicos y otros equipos.

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PROYECTO DEL SISTEMA DE ATERRAMIENTOPROYECTO DEL SISTEMA DE ATERRAMIENTO El objetivo de aterrar todos los puntos, masas, equipamientos en el

sistema de aterramiento que se pretende dimensionar. Para proyectar adecuadamente el sistema de aterramiento

debemos seguir las siguientes etapas: Definir el lugar de aterramiento. Proveer varias mediciones en el lugar. Hacer la estratificación del suelo en sus camadas superficiales. Definir el tipo de sistema de aterramiento deseado. Calcular la resistividad aparente el suelo para el respectivo sistema

de aterramiento. Dimensionar el Sistema de aterramiento, tomando en cuenta la

sensibilidad de los relés y los límites de seguridad personal, esto es, de la fibrilación ventricular del corazón.

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Con el fin de obtener una primera aproximación de la resistencia de tierra, los cálculos pueden efectuarse utilizando los valores medios indicados en la siguiente tabla

Naturaleza del terreno Valor medio de la resistividadEn Ω.m

Terrenos cultivables y fértiles

50

Terrenos cultivables poco fértiles

500

Suelos pedregosos, arenas secas

3000

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TIPO DE ELECTRODO

RESISTENCIA EN Ω

Placa enterrada profunda

R = 0,8. ρ/P

Placa enterrada superficial

R = 1,6. ρ /P

Jabalina vertical

R = ρ /L

Conductor enterrado horizontalmente

R = 2. /L

Malla de tierra

R = /4r + /L

La tabla siguiente muestra las distintas fórmulas para el cálculo de los electrodos típicos utilizados en las tomas de tierra.

R = resistencia de tierra en ohmiosρ = resistividad del terreno en ohmios-

metroP = perímetro de la placa en metrosL = longitud en metros de la jabalina o del conductor, y en malla la longitud total de los conductores enterradosr = radio en metros de un círculo de la misma superficie que el área cubierta por la malla.

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ATERRAMIENTO CON JABALINASATERRAMIENTO CON JABALINASEl sistema más económico y por lo tanto el más utilizado

para realizar una toma de tierra, emplea como electrodos jabalinas de acero cobreado perfil cilíndrico de unos 15 mm. de diámetro y de 2.40 metros de longitud.

Este tipo de electrodos es introducido en el terreno mediante golpes, consiguiendo con este sistema resistencias relativamente bajas.

El recorrido de corriente eléctrica emanado o absorbido por el sistema de aterramiento, se da a través de una resistividad aparente que el suelo presenta para este aterramiento en especial.

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Por tanto, será analizado inicialmente, los sistemas de aterramiento en relación a una resistividad aparente.

El material de las jabalinas de aterramiento deben tener las siguientes características.

Ser buen conductor de electricidad Debe ser un material prácticamente inerte a las acciones de los

ácidos y sales disueltas en el suelo. El material debe sufrir la menor acción posible de la corrosión

galvánica. Resistencia mecánica compatible para el clavamiento en el suelo.

Las mejores jabalinas son generalmente las cobreadas. Tipo copperweld: es una barra de acero de sección circular donde el

cobre es fundido sobre la misma. Tipo encamisado por extrusión el alma de acero es revestida por un

tubo de cobre a través del proceso de extrusión. Tipo Cadweld el cobre es depositado por electrolisis en el acero.

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DIMENSIONAMIENTO DE UNA JABALINA VERTICALDIMENSIONAMIENTO DE UNA JABALINA VERTICALUna jabalina clavada verticalmente en un suelo

homogéneo, de acuerdo con la figura, tiene una resistencia eléctrica que puede ser determinada por la fórmula siguiente:

)(421

dLIn

LR a

h

3log366,0dh

hpR

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Donde ρa = Resistividad aparente del suelo ρρ ( Ώ.m) L = Longitud de la jabalina (m) D = Diámetro del círculo equivalente al área de la sección

transversal de la jabalina (m).

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Sección transversal de la jabalina circular y angular.Sección transversal de la jabalina circular y angular. En el caso de jabalina de tipo angular, se debe efectuar el cálculo de área de la sección transversal e igualar al área de un círculo.

S CIRCULO =

Donde: d : Diámetro del círculo equivalente al área de la sección transversal del angular

2

2.

d

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EJEMPLOEJEMPLO Determinar la resistividad de la tierra de una jabalina de 2.4 m

de longitud con diámetro 15mm. Clavada verticalmente en un suelo con ρa = 100 Ώ .m.

85.42

10.154.24ln

4.2.2100

42

ln

1

31

1

h

h

ilh

R

xR

dL

LR

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No siempre el aterramiento con una única jabalina abastece el valor de la resistencia deseada.

En este caso, examinando la fórmula de la R1h, se puede saber los parámetros que influencian en la reducción del valor de la resistencia eléctrica. Ellas son:

Aumento del diámetro de la jabalina Aumento de longitud de la jabalina Reducción del a utilizando tratamiento químico en el suelo Colocándose jabalinas en paralelo.

Se verá a continuación la influencia de cada parámetro, generando así, alternativas para reducir la resistencia del aterramiento. Podemos observar también que la expresión de Reh no toma en cuenta el material que forma la jabalina, pero sí la geometría de la jabalina que forma en el suelo

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El flujo formado por las líneas de corriente eléctrica entra y sale del suelo, utilizando la forma de cavidad.

Por tanto, el Rlh se refiere solamente a resistencia eléctrica de la forma geométrica del sistema de aterramiento interactuando con el suelo.

Así generalizando, la resistencia eléctrica de aterramiento es apenas una parte de la resistencia del aterramiento de un equipo. La resistencia total vista por aterramiento de un equipo esta compuesta.

De la resistencia de la conexión del cable con el equipo. De la impedancia del cable de conexión.

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De la resistencia de la conexión del cable con el sistema de aterramiento empleado.

De la resistencia del material que forma el sistema de aterramiento.

De la resistencia del contacto del material con la tierra. De la resistencia de la cavidad geométrica del sistema de

aterramiento con la tierra.De este total, la última parte que es la resistencia de la

tierra del sistema de aterramiento, es el más importante. Su valor es mayor y depende del suelo, de las condiciones climáticas, etc.; y las otras partes son menores y pueden ser controladas con facilidad.

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ATERRAMIENTO EN LA DISTRIBUCIÓNATERRAMIENTO EN LA DISTRIBUCIÓN El aterramiento del neutro de red, pararrayos, reguladores, interruptores

en aceite, transformadores, etc, esta destinada a la protección de las personas y del propio equipamiento contra descargas atmosféricas conduciendo a tierra las corrientes y asegurando el buen funcionamiento de los equipos de protección del sistema.

Se recomienda neutro continuó y multiaterrado en los siguientes casos: Área urbana con red secundaria Área urbana con red secundaria y primaria Alimentadores desde la subestación, el neutro es interconectado al

sistema de tierra de la subestación, hasta el área urbana donde es interconectado al neutro de la red.

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En el caso de neutro continuo y multiaterrado, los aterramientos se ayudan mutuamente; en los casos donde no existe neutro continuo y multiaterrado, el aterramiento local debe ser auto- suficiente.

En ambos casos para que el aterramiento sea eficiente a lo largo del tiempo, es imprescindible que todos los consumidores instalen aterramientos en las cajas de los medidores.

A continuación se anotan los distintos tipos de aterramientos.

Aterramiento simpleAterramiento simple Es aplicado solamente donde existe neutro continuo y

multiaterrado El conductor de bajada es preferible instalar externamente

al poste.

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El aterramiento simple debe ser instalado en los siguientes puntos de la red de distribución urbana

En los transformadores de distribución En los seccionadores y finales de línea de la red

secundaria. A cada 300 m aproximadamente.

Aterramiento especial en redes con neutro multiaterrado

Debe ser ejecutado los siguientes puntos de la red de distribución urbana.

Interruptores en aceite

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Bancos de capacitores Reguladores de tensión Reconectadores Seccionalizadores

Aterramiento en redes sin neutro multiaterradoAterramiento en redes sin neutro multiaterrado Este tipo de aterramiento será utilizado para los mismos

equipamientos indicados en el ítem anterior, siempre que en el lugar del aterramiento no hubiera neutro continuo y multiaterrado.

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