let-60-vpc / let-500-vpc para la medición de tensiones de paso y de contacto

MEDIDAS DE TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO

Madrid, Septiembre 1.988

INDICE I - INTRODUCCION ........................................................................................................4

1 - Introducción ............................................................................................................4 2 - Normativa de referencia .........................................................................................5

2.1 - Disposiciones vigentes.....................................................................................5 2.2 - Disposiciones derogadas o en vías de derogación..........................................5

3 - Actuaciones Reglamentarias ..................................................................................6 - EN PROYECTO:....................................................................................................6 - EN CONSTRUCCION:...........................................................................................6 - EN EXPLOTACION:...............................................................................................6

II - DEFINICIONES..........................................................................................................7 1 - Resistencia de puesta a tierra ................................................................................7 2 - Corriente de defecto a tierra ...................................................................................7 3 - Corriente de puesta a tierra ....................................................................................8 4 - Tensión de malla ....................................................................................................9 5 - Tensión de puesta a tierra ......................................................................................9 6 - Tensión de paso ...................................................................................................10 7 - Tensión de contacto .............................................................................................10 8 - Tensión de tierra transferida.................................................................................11

III - EFECTOS DE LA CORRIENTE ALTERNA EN EL CUERPO HUMANO................13 1 - Acciones fisiológicas de la corriente eléctrica.......................................................13 2 - Curvas de fibrilación ventricular en función de la intensidad y del tiempo............13 3 - Valores máximos admisibles de tensión de paso y contacto................................15

IV - FINALIDADES DE LA PUESTA A TIERRA ............................................................16 1 - Sistemas de puesta a tierra ..................................................................................16

1.1 – Puesta a tierra de las masas metálicas.........................................................16 1.2 – Puesta a tierra del neutro ..............................................................................16

2 - Interconexiones de sistemas de puesta a tierra ...................................................17 3 - Ejecución de sistemas de puesta a tierra .............................................................17

V - CALCULO MATEMATICO DE LAS TENSIONES DE PASO Y CONTACTO PREVISIBLES EN UNA INSTALACION........................................................................18

1 - Características de la instalación ...........................................................................18 - Resistividad del terreno........................................................................................18 - Corriente de defecto a tierra ................................................................................18 - Tiempo máximo de eliminación de falta ...............................................................18

2 - Diseño de la malla de tierra, cálculo de la resistencia de puesta a tierra y tensiones de paso y contacto previsibles ..................................................................18

2.1 - Diseño de la malla de tierra ...........................................................................18 2.2 - Cálculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla .................................19 2.3 - Cálculo de la máxima tensión de paso previsible ..........................................19 2.4 - Cálculo de la máxima tensión de contacto o tensión de malla previsible.......19

VI - MEDIDA DE TENSIONES DE PASO Y CONTACTO.............................................25 1 - Generalidades ......................................................................................................25 2 - Datos y medios necesarios...................................................................................26 3 - Circuito de inyección.............................................................................................26

3.1 - Circuito con electrodos auxiliares (fig. 13) .....................................................26 3.2 - Circuito a través de línea de A.T. (fig. 14)......................................................28

4 - Método de medida................................................................................................30 4.1 - Determinación de los valores máximos admisibles........................................30 4.2 - Selección de los puntos de medida................................................................31

5 - Interpretación de resultados y posibles soluciones ..............................................32

EuroSMC, S.A. – Medida de Tensiones de Paso y Contacto pág. 2

5.1 - Valores de tensiones de paso y de contacto elevadas del interior de los parques ..................................................................................................................32 5.2 - Valores de paso y contacto bajos en los parques, pero contactos altos en la valla de cierre.........................................................................................................32 5.3 - Diferencias de potencial elevadas en puntos concretos y tensiones de paso y de contacto bajas en general .................................................................................33


I - INTRODUCCION 1 - Introducción La publicación, en Octubre de 1.984, de las Instrucciones Técnicas Complementarias del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación, más conocido por nuevo Reglamento de Alta Tensión, introduce, entre otras modificaciones un nuevo concepto en la concepción de las instalaciones de puesta a tierra. Dicho concepto considera las tensiones máximas aplicables al cuerpo humano como factor básico para el diseño de dichas instalaciones. En la primera revisión de la MIE-RAT 13 se hablaba de que “Toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación de tierra diseñada en forma tal que, en ningún punto normalmente accesible del interior o exterior de la instalación eléctrica donde las personas puedan circular o permanecer, exista el riesgo de que puedan estar sometidas a una tensión peligrosa durante cualquier defecto en la instalación eléctrica o en la red unida a ella”. La nueva versión de esta instrucción, publicada en Diciembre del a pasado, modifica este principio concretando los efectos que una instalación de tierra debe evitar. Así la nueva redacción establece que:

“Toda instalación eléctrica deberá disponer de una protección o instalación de tierra diseñada en forma tal que, en cualquier punto normalmente accesible del interior o exterior de la misma donde las personas puedan circular o permanecer, éstas queden sometidas, como máximo, a las tensiones de paso y contacto (durante cualquier defecto en la instalación eléctrica o en la red unida a ella) que resulten de la aplicación de las fórmulas que se recogen a continuación”.

Anteriormente, el antiguo Reglamento de Alta Tensión, en la parte correspondiente al Reglamento de Centrales Generadoras de Energía Eléctrica, establecía, al referirse a las tierras, que “La denominación de puesta a tierra comprende toda ligazón metálica directa sin fusible ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situación tales que en todo momento pueda asegurarse que el conjunto está prácticamente al mismo potencial de la tierra” y fijaba además que “la resistencia de paso a tierra de los electrodos, obtenida por medición directa, no será en ningún caso superior a 20 ohmios”. Hemos pasado pues de una concepción de la puesta a tierra de una instalación eléctrica como un elemento técnico más de la misma, encaminado a permitir su correcto funcionamiento, a una concepción en la cual la seguridad de las personas se manifiesta como prioritaria. Por otra parte, el nuevo Reglamento de Alta Tensión modifica el tipo de control de este tipo de instalaciones pasando del “todo o nada”, de menos de 20 ohmios o más de 20 ohmios, al “depende”, al condicionar los valores de puesta a tierra a los valores de tensión de paso y contacto resultantes en caso de falta la cual a su vez vendrá condicionada por su valor y el tiempo de actuación de las correspondientes protecciones. Todos estos conceptos que expuestos así pueden resultar superficiales, serán analizados posteriormente, y han sido entresacados para ver de forma esquemática cual ha sido el cambio fundamental introducido por la nueva reglamentación.


Siguiendo con esta exposición conviene recordar que este tipo de concepto tampoco es tan nuevo en la normativa eléctrica de este país ya que el, en su momento, nuevo Reglamento de Baja Tensión contemplaba el criterio del “depende” en la determinación de la resistencia de puesta a tierra de una instalación. Allí, aunque no se mencionaban para nada las tensiones de paso y de contacto, cosa obvia, por otra parte, por los niveles de tensión y, en consecuencia, intensidades de falta resultantes, sí se hablaba de tensiones de contacto inferiores a cierto valor, 24 V. o 50 V., según el tipo de emplazamiento. Está claro que en ambos casos no vale tornar como referencia unos valores máximos que dan los reglamentos sino que hay que calcular los valores admisibles en cada caso. Para ayudar en esta determinación de valores y en su comprobación posterior mediante los correspondientes ensayos es para lo que ha programado este curso y del que esperamos resulte de gran interés para ello.

2 - Normativa de referencia Con el fin de tener claro el marco legal de referencia en que nos vamos a mover se indican a continuación las disposiciones vigentes en la actualidad, así como aquellas otras que, sustituidas por las anteriores, pueden seguir teniendo vigencia en determinados casos.

2.1 - Disposiciones vigentes Real Decreto 3275/1982 de 12 de Noviembre sobre Condiciones Técnicas

y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas y Centros de Transformación publicado en el BOE Nº 288 de 1 de Diciembre de 1.982

Orden de 6 de Julio de 1.984 por la que se aprueban las Instrucciones Técnicas Complementarias del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas y Centros de Transformación publicada en el BOE Nº 1863 de 1 de Agosto de 1.984.

Orden de 18 de Octubre de 1.984, complementaria a la anterior, publicada en el BOE Nº 256 de 25 de Octubre de 1.984

Orden de 27 de Noviembre de 1.987 por la que se actualizan las Instrucciones Técnicas Complementarias MIE-RAT 13 y MIE-RAT 14 del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas y Centros de Transformación, publicada en el BOE Nº 291 de 5 de Diciembre de 1.987.

Existe también otra Orden de 23 de Junio de 1.988 por la que se actualizan diversas Instrucciones Técnicas Complementarias MIE-RAT del citado reglamento que no afectan al tema objeto de estudio pero que se indica a titulo informativo y que fue publicada en el BOE N2 160 de 5 de Julio de 1.988. Por último, merece la pena citar el Decreto Nº 3151/1968 de 28 de Noviembre por el que se aprueba el Reglamento de Líneas Eléctricas Aéreas de Alta Tensión.

2.2 - Disposiciones derogadas o en vías de derogación Orden de 23 de Febrero de 1.949 por la que se aprueban Instrucciones de

carácter general y Reglamentos sobre instalación y funcionamiento de Centrales Eléctricas, Líneas de transporte de energía eléctrica y Estaciones transformadoras.


Decreto de 12 de Marzo de 1.954 por el que se aprueba el Reglamento de Verificaciones Eléctricas y Regularidad en el Suministro de Energía Eléctrica.

Real Decreto 724/1979 de 2 de Febrero por el que se modifican los artículos 2º y 92 del vigente Reglamento de Verificaciones Eléctricas y Regularidad en el Suministro de Energía.

3 - Actuaciones Reglamentarias Visto el marco legal en el que van a tratarse los temas de puesta a tierra, dentro de los cuales hemos visto que las tensiones de paso y de contacto son conceptos básicos, vamos a ver qué requisitos de actuación se establecen al respecto. El nuevo reglamento de Alta Tensión, que es la disposición que más directamente vamos a seguir, junto con la modificación posterior de la MIE-RAT 13, establece básicamente lo siguiente:

- EN PROYECTO: Determinación de las tensiones máximas aplicables al cuerpo humano en función de la actuación de las protecciones. Investigación de las característica del suelo. Cálculo y diseño de la instalación de puesta a tierra.

- EN CONSTRUCCION: Verificación de que las tensiones de paso y contacto resultantes estén dentro de los limites admitidos.

- EN EXPLOTACION: Revisión, al menos una vez cada tres años, a fin de comprobar el estado de las mismas.

El resto de disposiciones, Reglamento de Líneas Eléctricas de Alta Tensión, Antiguo Reglamento de Alta Tensión y la Revisión del Reglamento de Verificaciones Eléctricas anteriormente citadas, contemplan también la revisión periódica de este tipo de Instalaciones aunque haciendo referencia siempre a la medida de resistencia de puesta a tierra. De todas estas actividades, y con el fin de facilitar la aplicación del “depende” , vamos a centrarnos fundamentalmente en la medida de tensiones de paso y de contacto.


II - DEFINICIONES 1 - Resistencia de puesta a tierra Es la resistencia que ofrece una masa metálica conectada a tierra al paso de la corriente de un defecto que se produzca en la misma. Según el Reglamento de Alta Tensión la resistencia de puesta a tierra, denominada en él resistencia de tierra, “es la resistencia entre un conductor puesto a tierra y un punto de potencial cero”.

2 - Corriente de defecto a tierra Es la corriente que circula por una red de tierra cuando se produce un defecto franco en esa instalación. Los defectos típicos que producen corriente de defecto a tierra son los siguientes:

- Cortocircuito bipolar con contacto a tierra

- Cortocircuito unipolar a tierra

- Contacto doble a tierra reflejándose en la figura 1 los esquemas de los defectos indicados.

Figura 1

En este curso, siempre que no se indique lo contrario, se tomará como corriente de defecto a tierra la del cortocircuito unipolar a tierra por ser el más frecuente y además, salvo excepciones, el que produce una corriente a tierra mayor. Por otra parte, se trata de un dato importante en cada instalación de cara a la protección de la misma, por lo que se conoce normalmente con precisión.


El Reglamento de Alta Tensión, por su parte, define la corriente de defecto a tierra como “la corriente que, en caso de un solo punto de defecto a tierra, se deriva por el citado punto desde el circuito averiado a tierra o a partes conectadas a tierra”.

3 - Corriente de puesta a tierra Es la corriente que circula a tierra desde la malla de puesta a tierra y, consecuentemente, es la que provoca la tensión a tierra de la malla Esta corriente es normalmente inferior a la corriente del defecto y su magnitud respecto a esta depende de la configuración de la instalación. El Reglamento la define como “la corriente total que se deriva a través de la puesta a tierra”, añadiendo además que “es la parte de la corriente de defecto que provoca la elevación de potencial de una instalación de puesta a tierra”. En la figura 2 se muestran los cuatro casos más típicos explicando a continuación cada uno de ellos: Caso 1: Falta en la Subestación y neutro a tierra solo en la Subestación En este tipo de instalación la corriente a tierra sería nula ya que el circuito entre el defecto y el neutro del transformador se cierra a través de la malla de tierra. Es una situación muy poco frecuente. Caso 2: Falta en la Subestación y neutro aislado en la Subestación Aquí la corriente a tierra es la misma que la del defecto ya que el circuito debe cerrarse únicamente a través del terreno. Esta situación se produce normalmente en instalaciones donde no existen transformadores. Caso 3: Falta en la Subestación y neutros a tierra. tanto en la Subestación como en otros puntos de la red Aquí la corriente a tierra en la Subestación será la diferencia entre la corriente total del defecto y la aportada a éste por la propia Subestación. Es la situación más frecuente que nos vamos a encontrar en todas las subestaciones con transformadores. Caso 4: Falta en una línea que sale de la Subestación y neutros a tierra en la Subestación y en otros puntos de la red: Aquí la corriente a tierra en la Subestación es únicamente la que aportan los transformadores de la Subestación al defecto.


Figura 2

4 - Tensión de malla Es la máxima diferencia de potencial que puede aparecer en el interior de una malla de tierra entre la superficie del terreno y la propia malla cuando se produce un defecto a tierra.

5 - Tensión de puesta a tierra Cuando en una instalación se produce un defecto, la intensidad que circula desde la malla al terreno (corriente de puesta a tierra) produce una elevación del potencial de la malla. Se denomina entonces tensión de puesta a tierra la diferencia de potencial entre la malla citada y un punto del terreno suficientemente alejado para que no esté influenciado por la corriente de defecto.


Esta tensión es la resultante del producto de la resistencia a tierra de la malla por la corriente de puesta a tierra. El Reglamento la define como “la tensión que aparece a causa de un defecto de aislamiento entre una masa y tierra”.

6 - Tensión de paso Es la tensión que puentea una persona entre ambos pies cuando se encuentra con éstos separados 1 m en una instalación donde existe un defecto a tierra y considerando que la resistencia total de la persona entre ambos pies es de 1000 ohmios. En la figura 3 se indica el circuito el de la tensión de paso, donde:

Rx = Resistencia del cuerpo humano entre ambos pies que se considera de 1000 ohmios.

Rf = Resistencia de contacto entre cada uno de pies y el terreno. R1 + R2 + R0 = Resistencia a tierra de la instalación.

El Reglamento define la tensión de paso como “la parte de la tensión a tierra que puede ser puenteada por un ser humano entre los dos pies considerándose el paso de una longitud de un metro”.

Figura 3

7 - Tensión de contacto Es la tensión que puentea una persona entre las manos y ambos pies cuando se encuentra con los dos pies juntos a una distancia de 1 m. de una masa metálica y existe un defecto a tierra en la misma. En la figura 4 se indica el circuito eléctrico de la tensión de contacto donde:


RK : Resistencia del cuerpo humano entre una mano y ambos pies que se considera de 1000 ohmios.

R1 + R0 : Resistencia a tierra de la instalación. El Reglamento la define como “la fracción de la tensión de puesta a tierra que puede ser puenteada por una persona entre la mano y el pie (considerando 1 metro) entre ambas manos”.

Figura 4

8 - Tensión de tierra transferida El Reglamento la define como “la tensión de paso o de contacto que puede aparecer en un lugar cualquiera transmitida por un elemento met desde una instalación de tierra lejana”. No obstante, tan importante como la tensión a tierra transferida al exterior desde una instalación el puede ser el potencial transferido al interior de asta por una red exterior de cualquier tipo (agua, gas, electricidad, telefonía, vía férrea, etc.)


Figura 5


III - EFECTOS DE LA CORRIENTE ALTERNA EN EL CUERPO HUMANO Numerosos trabajos experimentales, realizados para determinar los defectos de la corriente eléctrica sobre el organismo humano, han dado lugar a importantes estudios científicos, de los que vamos a extraer los criterios prácticos que nos permitan analizar las consecuencias del mismo.

1 - Acciones fisiológicas de la corriente eléctrica Los fenómenos fisiológicos que se producen vienen determinados por el paso de la intensidad de la corriente a través del cuerpo y no por la tensión. De acuerdo con el valor de la corriente eléctrica que atraviesa el cuerpo humano, se pueden definir tres fenómenos:

De 1 a 3 mA: Sensibilidad o umbral de percepción De 10 a 15 mA: Contracción de los músculos de la mano y brazo, que si

superase los 25 mA se extendería a los músculos del tórax. Mayor de 50 mA: fibrilación del corazón

2 - Curvas de fibrilación ventricular en función de la intensidad y del tiempo De acuerdo con los estudios realizados por DALZIEL y FERRIS, no existe ninguna correlación precisa entre el umbral de fibrilación y los pesos del corazón y del hombre, siendo además dicho umbral función no solo de la corriente sino del tiempo de duración de la misma. [I2 t = 0,027] Aplicando la curva propuesta por DALZIEL para la especie humana y que obedece a la ley matemática I2 t = 0,027 (A2.s) siendo:

)();(165 segundostmAt

I =

tenemos que la curva de seguridad que representaría la correspondencia entre el valor eficaz de la intensidad de una corriente de 50 Hz y su umbral de tiempo de peligro es la siguiente:


Figura 6

En ella pueden diferenciarse tres zonas. En la primera, de O a 0,025 seg., el corazón es insensible a la magnitud de la corriente. En la segunda, de 0,025 a 3 seg. la curva sigue exactamente la fórmula de DALZIEL. En la tercera y última, a partir de 3 seg., el comportamiento del cuerpo humano es aleatorio y variable con la naturaleza de la persona. Por otra parte hay que tener en cuenta que la corriente que circula por el cuerpo humano es función de la resistencia de éste, siendo dicha resistencia variable con la tensión aplicada, de acuerdo con la curva reflejada a continuación:


Figura 7

3 - Valores máximos admisibles de tensión de paso y contacto En la IEEE std 399 – 1980 se define la curva de seguridad de acuerdo a la siguiente relación entre la intensidad y el tiempo:

tI 116,0=

I = máxima corriente en amperios t = tiempo en segundos Por otra parte de acuerdo con la IEEE std 80 - 1976, se establece el valor de la resistencia del cuerpo humano en 1000 Ω, especificándose a continuación las resistencias equivalentes en el caso de paso y contacto: R paso = 1000 Ω + 6 ρ R contacto = 1000 Ω + 1,5 ρ donde ρ = resistividad del terreno siendo por tanto las tensiones máximas admisibles de paso y contacto el producto de multiplicar la intensidad máxima por la resistencia equivalente en cada caso:

)100061(116)61000(116,0 ρρ +=+=×=

ttRIE pasopaso

)1000

5,11(116)5,11000(116,0 ρρ +=+=×=tt

RIE contactocontacto


IV - FINALIDADES DE LA PUESTA A TIERRA 1 - Sistemas de puesta a tierra Al hablar de la puesta a tierra en instalaciones de Alta Tensión debemos distinguir dos tipos, cada uno con una finalidad distinta:

Puesta a tierra de las masas metálicas Puesta a tierra de los elementos activos de la instalación, generalmente el

neutro 1.1 – Puesta a tierra de las masas metálicas.

Las masas metálicas se conectan normalmente a tierra para proteger a las personas que pudieran estar en contacto con .ellas en el momento de producirse un defecto de aislamiento en la instalación ya que, en ese caso, si la masa estuviera aislada, se colocarla a la tensión de la instalación con el consiguiente peligro para ellas. Desde el punto de vista de seguridad, es pues recomendable conseguir la mejor puesta a tierra posible en las masas de la instalación o, lo que es lo mismo, que la resistencia de puesta a tierra sea la menor posible, con lo cual también será menor la tensión alcanzada por las masas metálicas en un defecto. Igualmente, es también muy importante que la superficie a proteger mediante la red de tierras disponga de una malla lo más densa posible y completamente interconectada para que las diferencias de potencial entre distintas zonas de la instalación (tensiones de malla) sean las menores posibles. Este tipo de puesta a tierra es la denominada “de protección” por el Reglamento de Alta Tensión.

1.2 – Puesta a tierra del neutro El neutro de los circuitos de Alta Tensión también se conecta normalmente a tierra, bien mediante conexión directa o bien mediante una resistencia o impedancia limitadora de la corriente. En las instalaciones de más de 100 kV se conecta el neutro rígidamente a tierra, normalmente al mismo circuito que las masas metálicas de la instalación. De esta forma, aunque las corrientes de defecto son muy grandes, se consigue una muy buena discriminación de los defectos, permitiendo así la desconexión muy rápida y localizada de los mismos. Es decir, se permite una gran selectividad de las protecciones por lo que el beneficio es muy superior al perjuicio causado por la elevación de la corriente del defecto. Sin embargo, en las instalaciones de Media Tensión (6,3 a 30 kV) normalmente el neutro no está nunca, salvo excepciones, conectado directamente a tierra sino a través de una resistencia o impedancia limitadora. El motivo es que, en estas instalaciones, no es rentable la inversión en protecciones de distancia con una buena selectividad. Entonces, normalmente, se colocan protecciones homopolares para la detección de defectos a tierra y se limita el valor de ésta con la impedancia del neutro, con lo cual descienden considerablemente los destrozos que pueden producirse en la instalación aun en el caso frecuente de que la desconexión no sea muy rápida. Es importante, precisamente, considerar este tipo de conexión del neutro para determinar las tensiones producidas en la red de tierra. Este tipo de puestas a tierra es el denominado “de servicio” por el Reglamento y a ellas habría que añadir las


autoválvulas, secundarios de Baja Tensión de transformadores de medida y seccionadores de puesta a tierra.

2 - Interconexiones de sistemas de puesta a tierra El nuevo Reglamento de Alta Tensión introduce una nueva filosofía en cuanto a la interconexión de los sistemas ya que establece que “las puestas a tierra de protección y de servicio de una instalación deberán interconectarse constituyendo una instalación de tierra general”. Anteriormente el antiguo reglamento establecía que “al objeto de evitar posibles accidentes producidos por el paso de tensiones elevadas de unas partes de la instalación a otras, a través de una tierra común se dispone el establecimiento de varias tierras independientes para cada sistema. Aunque esta exigencia fue progresivamente ignorada conviene tenerla en cuenta para comprender los resultados obtenidos en muchos casos. Por otra parte, existen ocasiones en las que es necesario establecer sistemas independientes como en determinados centros de transformación, con determinados neutros de transformadores, con limitadores de tensión de líneas telefónicas o con sistema de control. En estos casos el problema reside en conseguir dicha independencia.

3 - Ejecución de sistemas de puesta a tierra Los sistemas de puesta a tierra consisten básicamente en:

Líneas de tierra o conductor que une el elemento a poner a tierra y la malla de puesta a tierra o el electrodo según los casos.

Malla de puesta a tierra o conjunto de conductores que, enterrados, permiten la interconexión de los distintos elementos entre si y con los diversos electrodos actuando además de electrodos de dispersión.

Electrodos o dispersores de corriente a tierra. En centros de transformación pequeños normalmente la conexión entre equipos y electrodos es directa mientras que en grandes subestaciones se establece una malla que cubre asta en toda su extensión y que puede extenderse fuera de los limites (valla) de la subestación. El conocimiento del tipo de Instalación de la existencia o no de electrodos, del tipo de estos (picas, mallas, placas, etc.) y de su ubicación en el terreno facilita la realización de las medidas de tensión de paso y de contacto y de resistencia, así como su interpretación y análisis.


V - CALCULO MATEMATICO DE LAS TENSIONES DE PASO Y CONTACTO PREVISIBLES EN UNA INSTALACION En este apartado vamos a pasar a definir los datos que es preciso conocer para poder realizar el estudio de una malla de tierra, así como las fórmulas matemáticas que nos permitan, una vez conocidos éstos, calcular las tensiones de paso y contacto previsibles en una instalación.

1 - Características de la instalación - Resistividad del terreno

Deberá conocerse este ato un estudio de la resistividad del terreno, Incluyendo las diferentes capas existentes y el valor de las mismas dado su influencia en el valor de las tensiones de paso y contacto aplicadas.

- Corriente de defecto a tierra Aunque actualmente la complejidad y diversas posibilidades en el estudio de las corrientes de defectos a tierra o intensidad de falta, obliga a realizar su estudio mediante un programa de ordenador, se indica a continuación la fórmula a aplicar en caso de cortocircuito unipolar a tierra:

Fcc RZZZ

UI+++

×=

0211

3

Icc1 = Intensidad de cortocircuito unipolar U = Tensión entre fases en el punto de falta Z1 = Impedancia de secuencia positiva hasta el punto de falta Z2 = Impedancia de secuencia negativa hasta el punto de falta Z0 = Impedancia de secuencia cero hasta el punto de falta Rf = Resistencia de falta a tierra

- Tiempo máximo de eliminación de falta En la mayoría de los tratados técnicos se especifica que el tiempo a considerar en una instalación será el tiempo de eliminación de la falta mediante las protecciones de apoyo (segundo escalón de las protecciones de distancia) al tener en cuenta la posibilidad del fallo de las protecciones en el lugar del defecto, y este tiempo se suele fijar en 0,5 segundos.

2 - Diseño de la malla de tierra, cálculo de la resistencia de puesta a tierra y tensiones de paso y contacto previsibles 2.1 - Diseño de la malla de tierra

El diseño de la malla de tierra viene normalmente determinado por la situación de los aparatos e instalaciones a poner a tierra, siendo normalmente realizado mediante la implantación de conductores paralelos cuyas separaciones vienen definidas por la disposición en planta de los equipos, unidos mediante conexiones transversales formando una malla. Esta malla básica normalmente abarca instalaciones de edificios, alumbrado y elementos conectados a la red de fuerza o alumbrado de la instalación, conectándose además en la mayoría de los casos, el cerramiento de la instalación.


Esta malla total afecta a una cubierta por ella, en la que su radio equivalente vendría dado por la siguiente fórmula:

πSr =

donde S es la superficie en m2. 2.2 - Cálculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla

El valor de la resistencia de malla viene dado, de una forma simplificada, por la siguiente fórmula:

LrRpat

ρρ+=

4

ρ = resistividad del terreno r = radio equivalente de la malla L = longitud en metros del conductor de tierra por lo que la máxima elevación del potencial de la malla vendrá determinado por la corriente disipada por la malla (corriente de defecto) y su resistencia siendo:

patF RIE ×= , I 1CCF I=

2.3 - Cálculo de la máxima tensión de paso previsible En una malla de tierra los valores máximos de tensión de paso se presentan en la periferia de la malla, viniendo determinado su valor por la siguiente fórmula:

LIKKE F

pasopaso ×××= ρ1

donde: Kpaso = Coeficiente que depende del número de conductores, su separación y la

profundidad de la malla K1 = Coeficiente de irregularidad en el que se tiene en cuenta el desigual reparto

de la intensidad que fluye de la malla. Sus valores respectivos son:

( )

−

++++

+=dnddhdh

K paso 11

31

211

211

π

donde h = profundidad de la malla (m) d = distancia entre conductores paralelos n = número de conductores paralelos en una dirección.

( )nK 172,065,01 +=

2.4 - Cálculo de la máxima tensión de contacto o tensión de malla previsible De forma análoga a la anterior la máxima tensión de contacto, o tensión de malla, se obtiene por:

LIKKE F

mallamalla ×××= ρ1


−−

+

Φ=

2232...

87

65

431

1621 2

nnL

hdLnK nmalla ππ

Φ= diámetro del conductor (m.) Las tensiones máximas de paso y contacto, anteriormente obtenidas, deberán ser menores que las que, a efectos de cálculo de proyecto, vienen especificadas en la Instrucción MIE-RAT 13 modificada por la Orden de 27-11-87, que son:

+=

10006110 s

tKV nP

ρ y

+=

10005,11 s

tKnC

ρV

donde K = 78,5 t = 0,03 segundo ρs = resistividad de la superficie de hormigón y graba tn se calcula con 0,9 segundos para la segunda protección A continuación y en las figuras 8, 9, 10 y 11 se expone un caso práctico incluido en la IEEE std 399-1980 realizado por ordenador para una malla de tierra:


Figura 8


Figura 9


Figura 10


Figura 11


VI - MEDIDA DE TENSIONES DE PASO Y CONTACTO 1 - Generalidades Para medir las tensiones de paso y de contacto en una instalación de A.T., en principio, únicamente seria necesario lo siguiente:

Provocar un defecto a tierra en la instalación y medir las tensiones. Medir, mediante un voltímetro adecuado y electrodos normalizados, las

tensiones resultantes. Todo lo anterior cumple enteramente con lo indicado por la reglamentación española (MIE-RAT 13) así como por la normativa internacional (IEEE 80/1986 o VDE 141), pero cuenta con el inconveniente de que no es factible provocar un defecto en la instalación para poder medirla. Por consiguiente es necesario buscar métodos alternativos que nos permitan simular el defecto. Esta simulación se consigue inyectando una corriente alterna a través de la red de tierra que vamos a medir y considerando que las tensiones obtenidas son proporcionales a la corriente inyectada. Este método está generalmente aceptado y únicamente existe un ligero inconveniente que debemos salvar: las corrientes erráticas. Efectivamente, en una red de tierra de una instalación de A.T. existen normalmente corrientes erráticas debidas a múltiples causas como las corrientes de fuga de los aisladores y equipos, corrientes capacitivas, etc. Estas corrientes producen evidentemente tensiones de paso y de contacto en la instalación, pero de valor generalmente muy reducido. En el momento en que se produzca un defecto en la instalación, las tensiones producidas por las corrientes erráticas no tendrán absolutamente ninguna relevancia respecto a las producidas por el defecto. Sin embargo, cuando nosotros hacemos una inyección reducida para simular el defecto, las tensiones producidas por las erráticas pueden ser muy significativas respecto a la que nos produce nuestra inyección e incluso de un valor superior a éstas. Entonces al extrapolar los valores a la corriente de falta arrastraríamos tensiones producidas por las erráticas con los consiguientes errores en los resultados obtenidos. Para evitar esto, la MIE-RAT 13 indica que debe aplicarse una corriente de inyección de, al menos, el 1 por 100 de la corriente para la que ha sido diseñada la instalación o bien utilizar un método que elimine el efecto de las corrientes parásitas. [en su modificación dice que el 1 por ciento de la intensidad o un mínimo de 50 A.] Evidentemente cuanto más elevada sea la corriente de inyección, menos influyen las corrientes erráticas. Sin embargo no siempre es fácil alcanzar el 1% de la corriente de defecto de la red ya que puede representar algunos centenares de amperios en muchas instalaciones. El método entonces a utilizar debe conseguir la eliminación de los efectos de las corrientes erráticas, y eso se consigue haciendo para cada medida dos inyecciones de corriente alterna del mismo valor absoluto pero desfasados 1800 y realizando tres lecturas de tensión de paso o de contacto:

Vo. : Sin inyección de corriente V+ : Con la primera inyección


V- : Segunda inyección desfasada 180° Con estas tres medidas se puede determinar fácilmente la tensión producida por la inyección, eliminando los efectos de las corrientes erráticas. Para ello es necesario únicamente resolver el problema geométrico que se describe en la figura 12.

Figura 12

V = Tensión sin corrientes erráticas. V+ = Tensión medida con inyección en un sentído. V- = Tensión medida con inyección en el otro. Vo = Tensión medida sin inyección, debido a las corrientes erráticas.

)cos(2 0 αVV−220

2 VVV +=+

220

2 VVV +=−

)cos(2 0 βVV−

sumando, 22

022 22 VVVV +=+ −+ ya que cos( )cos() βα −=

2 - Datos y medios necesarios Para poder realizar las medidas de tensiones de paso y de contacto en una instalación de A.T. deben conocerse previamente los valores de las corrientes de defecto a tierra en cada uno de los niveles de tensión de la

instalación, así como los tiempos de regulación de las protecciones encargadas de despejar estos defectos y, además, disponer de los siguientes equipos:

Equipo de inyección con capacidad mínima de 50 A en régimen intermitente y dispositivo para invertir 180º la corriente de Inyección.

2 Electrodos de medida planos de 200 cm2 Cinta métrica Voltímetro con resolución mínima de 0,1 mV Resistencia de 1000 Ω Pinza amperimétrica Conjunto de electrodos auxiliares para establecer una red de tierra

independiente de la instalación Cables de conexión (500 m de 16 mm2.)

3 - Circuito de inyección La corriente a inyectar en la red de tierra que vamos a medir necesita otra red de tierra independiente para que se cierre el circuito de inyección. Esto puede conseguirse de dos formas, bien con una red de tierra auxiliar creada en el exterior de la instalación o bien utilizando como red auxiliar la red de tierra de una instalación lejana que se encuentra unida a la primera mediante una línea.

3.1 - Circuito con electrodos auxiliares (fig. 13)


El método de establecer una tierra auxiliar en el exterior de la instalación es normalmente de fácil ejecución, y es además el único a utilizar cuando no existe posibilidad de obtener una línea en descargo que nos comunique con otra instalación. Sin embargo presenta tres inconvenientes:

a) El reparto de las corrientes a tierra en el conjunto de la malla que vamos a medir no es uniforme sino que estará deformado en el sentido de los electrodos auxiliares, drenando mayor intensidad en las zonas más próximas a los electrodos auxiliares y menor Intensidad en las zonas de la malla que se encuentren más alejadas. Para disminuir este efecto seria necesario alejar lo más posible los electrodos auxiliares. La IEEE 81/1983 recomienda entre 300 m y 1000 m, o más, según el tamaño de la malla de tierra.

b) Toda la corriente inyectada en la malla debe circular a tierra a través de ésta con lo cual se hace que la corriente a tierra tenga el mismo valor que la corriente de defecto, cuando en caso de un defecto real la diferencia entre ambas corrientes puede ser muy importante debido fundamentalmente a las corrientes de retorno inducidas en los cables de tierra de las líneas aéreas y en las armaduras de los cables subterráneos.

c) La elevada resistencia de puesta a tierra que normalmente presenta la red auxiliar limita la corriente de inyección distorsionando los resultados.

Por los motivos indicados, este método de ensayo no es el más recomendable, debiendo usarse solo cuando no existe línea de A.T. adecuada y disponible y procurando colocar los electrodos auxiliares a una distancia no inferior a 200 m de la red de tierra.


Figura 13

3.2 - Circuito a través de línea de A.T. (fig. 14) Este circuito se forma utilizando una línea de A.T. que comunique dos instalaciones diferentes. El circuito deberá estar abierto y a tierra en ambos extremos. Este circuito de ensayo es el idóneo para realizar las medidas ya que simula fielmente un defecto real. Aquí la corriente que inyecta en la red de tierra, equivalente a la corriente de defecto, se distribuye de dos formas:


a) Una parte es la corriente a tierra a través de la red de tierra de la instalación ayudada por las primeras torres de las líneas de A.T. que están conectadas a la instalación. En estas líneas las primeras torres conducen una mayor corriente a tierra que va disminuyendo gradualmente según nos alejamos de la subestación, considerándose nula a partir de una distancia de 3 a 5 Km. en función del tipo y número (1 ó 2) de los conductores de tierra

b) Otra parte de la corriente retorna hasta la subestación remota a través del cable de tierra de la línea de inyección debido a la inducción producida por la corriente que circula por la línea. Esta corriente es muy importante porque nos disminuye la corriente a tierra en la instalación medida y, además, en iguales o parecidas proporciones a lo que sucedería en un defecto real siempre que se cumplan algunos requisitos que más adelante se indican.

Figura 14

El porcentaje de conducción de los cables de tierra de las líneas depende lógicamente de la disposición física de los conductores tanto los de fase como los de tierra, y pueden calcularse teóricamente. Se han realizado ensayos para contrastar los valores obtenidos y se concluye que estas corrientes de retorno son muy importantes en algunos casos oscilando entre 10 y el 60% en líneas aéreas y entre el 80 y el 95 % en líneas subterráneas. Por todo lo indicado anteriormente, se deduce que éste es el método idóneo de ensayo pero deben cumplirse algunas condiciones que se indican a continuación:

La línea deberá de ser de un solo circuito o bien, si existe más de un circuito, deben estar todos desconectados y a tierra para evitar tensiones inducidas en la línea de inyección que podrían ser peligrosas para el personal que realiza los ensayos.

Debe interconectar directamente dos subestaciones o centros de transformación con una distancia no inferior a 10 Km. en líneas de más de 100 kV o 6 Km. en líneas de menor tensión con cable de tierra.


La línea no debe ser tampoco excesivamente larga, hasta 20 Km. en líneas de 66 kV y hasta 50 Km. en las de más de 100 kV, ya que de lo contrario la impedancia de la línea nos limitará las posibilidades de inyección.

En las instalaciones que sólo tienen líneas aéreas es importante seleccionar una línea aérea con cable de tierra mientras que en las que solo las tienen enterradas es indiferente el tipo de cable seleccionado. Sin embargo, cuando en una instalación existen líneas aéreas y cables enterrados, debe tomarse siempre una línea aérea, quedando en este caso del lado de la seguridad.

Cuando la línea utilizada no tiene cable de tierra entonces este método es equiparable al de utilizar una tierra auxiliar. Sin embargo aun así es preferible utilizar la línea ya que por un lado se aleja del suelo el circuito de inyección y por otro se aleja considerablemente la tierra auxiliar, con lo cual se disminuyen considerablemente las deformaciones del reparto de corrientes en la red de tierra de la instalación.

4 - Método de medida Una vez instalado el circuito de ensayo se procede a realizar una inyección de prueba para determinar la impedancia del circuito de prueba y en función de ella seleccionar la tensión del equipo de inyección para obtener la corriente de ensayo deseada. A partir de este momento se está ya en disposición de realizar el ensayo, debiendo seguirse los pasos siguientes:

4.1 - Determinación de los valores máximos admisibles Es aconsejable, aunque no imprescindible, conocer previamente los valores de las corrientes máximas de falta a tierra en cada uno de los niveles de tensión de la instalación, así como los tiempos de ajuste de las protecciones que deben despejar estos defectos para poder determinar los valores de tensiones de paso y de contacto de la instalación y verificar además si son o no admisibles. La corriente de defecto a considerar será la mayor existente en la Instalación en el caso de que exista una única red de tierra. Por el contrario, si las tierras de los diferentes parques fueran independientes, se tomarla para cada parque su correspondiente corriente de defecto. Sin embargo, debemos tomar en consideración que la corriente que provoca las tensiones de paso y de contacto no es toda la corriente de defecto sino únicamente la corriente de puesta a tierra que puede ser muy diferente a aquélla en función de la forma de conexión del neutro así como de la existencia o no de transformadores en la Subestación. También debe tenerse en cuenta, además, que, en el momento de producirse el defecto, no forzosamente van a coincidir las condiciones más desfavorables. Por todo ello deberla estudiarse para cada instalación la corriente a considerar para la extrapolación de las tensiones de paso y de contacto medidas. En la MIE-RAT 13 se establece un coeficiente de 0,7 a aplicar a la corriente de defecto en Instalaciones de 100 kV. o superior y con el neutro rígidamente conectado a tierra que contempla tanto la configuración de la Subestación como las probabilidades de coincidencia de las condiciones más desfavorables. La aplicación de este coeficiente simplifica mucho la elección de la corriente para la extrapolación de las tensiones medidas, siendo práctica habitual considerar directamente la corriente de defecto en tensiones inferiores a 100 kV y aplicar el coeficiente de 0,7 para las tensiones iguales o superiores a 100 kV.


En cuanto a las protecciones, es más difícil determinar el valor a considerar porque en muchos casos los tiempos de regulación de las diferentes protecciones son dispares y, consecuentemente, la corriente de defecto va disminuyendo a medida que se desconectan líneas o transformadores de la instalación. Sin embargo, lo más habitual es ponerse del lado de la seguridad y tomar el tiempo mayor. A continuación se indican los más frecuentes:

Subestaciones con protección diferencial de barras. Puede tomarse el tiempo de esta protección, generalmente del orden de 0,1 segundos.

Subestaciones sin protección diferencial de barras y con líneas con relés de distancia. Debe tomarse el tiempo del segundo escalón de los extremos opuestos a la subestación y que suele oscilar entre 0,5 y 1 segundo

Subestaciones y Centros de Transformación con líneas de protección homopolares. Se toma el tiempo de la mayor de éstas., que generalmente se encuentra en la Subestación de cabecera de las líneas y cuya regulación puede ser muy diferente según los casos.

4.2 - Selección de los puntos de medida Se trata de determinar los puntos de medida de las tensiones de paso, contacto y diferencia de potencial. Si la instalación es nueva y se desea realizar un control muy detallado se puede determinar una retícula sobre la instalación realizando todas las medidas en cada uno de los vértices de aquella, cuya separación entre líneas puede ser del orden de 10 m. Normalmente no se requiere este tipo de planteamiento sino que es suficiente con realizar un número más reducido de mediciones con el criterio siguiente:

Medidas de tensión de paso en todos los pasillos a una distancia entre 10 y 20 m.

Medidas de paso y de contacto en cada una de las posiciones del parque, entre 1 y 3 medidas, según el tamaño de las posiciones y los valores obtenidos.

Medida de paso y de contacto tanto en el interior como exterior de la valla en todos los esquemas y cambios de dirección de la misma, así como en todos los tramos rectos (entre 1 y 4 puntos según la longitud de los mismos) y en todas las puertas de acceso.

Medida de paso y de contacto en las proximidades de todos los apoyos que se encuentran en el interior de la valla así como en las proximidades de farolas de alumbrado, sobretodo aquéllas más alejadas del centro de la instalación.

Algunos puntos de tensiones de paso y contacto en los edificios de la instalación (sala de control, sala de baterías, talleres, etc.)

Diferencias de potencial entre todas las masas accesibles simultáneamente y que puedan no estar conectadas a la misma red de tierra. A continuación se indican unos ejemplos típicos:

- Cuba y rail de transformadores

- Puertas y valla

- Entre distintas hojas de una misma puerta

- Estructura de edificios y red de tierra


- Rejilla de alcantarillado y valla o estructuras

- Farolas y estructuras o valla

- Tomas de corriente de B.T. y desagües

- Grifos y masas conectadas a la red de tierra

- Edificios de viviendas del personal de la instalación que se encuentren en las proximidades de la misma.

- Zanjas de cables y estructuras

Figura 15

5 - Interpretación de resultados y posibles soluciones En este capítulo vamos a tratar de apuntar algunas de las soluciones aplicables para resolver los problemas más típicos en función de los resultados obtenidos.

5.1 - Valores de tensiones de paso y de contacto elevadas del interior de los parques

En este caso caben dos posibilidades: La capa superficial del terreno ha disminuido considerablemente su

resistividad por la proliferación de hierba en la misma. En este caso suele ser suficiente con la eliminación de la hierba u otros elementos extraños como tierra, etc. que e encuentren en la instalación.

La capa superficial del terreno es de alta resistividad. Este es el caso más complejo y también menos frecuente ya que indica un defectuoso proyecto de la red de tierra, requiriendo un estudio detallado de la misma y posiblemente, como consecuencia de este estudio, una ampliación del mallado de tierra.

5.2 - Valores de paso y contacto bajos en los parques, pero contactos altos en la valla de cierre


Si la valla está conectada a la red de tierras de la instalación debe prolongarse esta red hasta 1 m en el exterior de la valla y además mantener la resistividad alta en el terreno próximo a la valla tanto en el interior como en el exterior de asta con un ancho mínimo de 1 m, ya que en estas condiciones la valla se encuentra en el extremo de la red de tierra y consecuentemente va a proporcionar las tensiones de contacto más elevadas.

Si la valla no está conectada a la red de tierras de la instalación, entonces estas tensiones pueden producirse por la mayor cercanía entre la valla y la red de tierra en unos puntos respecto a otros. En estos casos, si la valla está separada de todos los elementos conectados a la red de tierra y no existe posibilidad de contacto simultáneo, puede mantenerse la valla independiente, pero deben colocarse dos conductores de tierra enterrados a ambos lados de la valla y paralelos a asta con conexiones en diferentes puntos con la valla y a una distancia aproximada de 1 m. Debe también mantenerse elevada la resistividad superficial del terreno en ambos lados de la valla.

5.3 - Diferencias de potencial elevadas en puntos concretos y tensiones de paso y de contacto bajas en general

Es la situación más frecuente y que además tiene generalmente soluciones más fáciles. A continuación de Indican algunas de las más frecuentes:

Diferencias de potencial elevadas entre cuba de transformador y rail. Suele ser por falta de conexión a tierra de los raíles, bien en su conjunto o bien algún tramo concreto. Suele solucionarse conectándolos.

Tensiones elevadas entre puertas y valla o entre diferentes hojas de una puerta. Se produce normalmente por la falta de continuidad eléctrica de todos los elementos de la valla.

Tensiones elevadas entre elementos de la instalación tales como apoyos, farolas, etc. y la valla. Esto se produce normalmente cuando la valla no está conectada a la red general de tierras. En este caso debe conectarse la valla a la red de tierras o bien hacer que no sean accesibles simultáneamente esos elementos bien separándolos o bien intercalando una barrera física.

Hay que reseñar que en el caso de optar por conectar la valla a la red de tierra general debe procederse a continuación a medir de nuevo las tensiones en la valla porque casi con seguridad habrán aumentado las tensiones de contacto debiendo actuar en consecuencia.

Tensiones elevadas entre grifos de agua y estructuras. Es uno de los problemas más difíciles de resolver y además también más frecuente. El problema se encuentra tanto en el interior de la instalación con tensiones elevadas entre grifos y estructuras como en el exterior por las tensiones transferidas a través de las tuberías de agua. La solución más idónea es colocar todas las tuberías de materiales aislantes o, si esto representa mucha dificultad, colocar tubería aislante en un tramo lo más largo posible a la entrada de la instalación.

Tensiones elevadas entre estructuras de edificios y masas de equipos o neutro de B.T. Suele producirse por una defectuosa puesta a tierra del edificio en su conjunto o de algunos elementos en particular. En este caso debe mejorar la conexión a la red general de tierras de los edificios que se



encuentren en el interior de la instalación, bien la totalidad del edificio o bien los elementos concretos donde se haya detectado el problema.

Tensiones elevadas en edificios exteriores a la instalación entre el neutro de B.T. y la estructura de los mismos. En estos casos lo más recomendable es alimentar a los edificios desde una fuente exterior a la instalación medida. Si ello no es posible entonces caben dos opciones:

- Colocar un transformador separador de circuitos con el neutro conectado a tierra en las proximidades de los edificios.

- Extender la malla de tierra hasta estos edificios integrándolos en la red general de tierra.

***FIN DEL DOCUMENTO***

let-60-vpc / let-500-vpc para la medición de tensiones de paso y de contacto

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