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MSc. Ing. Leonidas Sayas Poma
Sistemas de aterramiento
Objetivos
•
•
•
•
•
Identificar los gradientes depotencial anormal durante una falla
Calcular y medir la resistividad delterreno.
Calcular la tensión de paso y detoque
Dimensionar el sistema de puesta atierra en una línea de transmisión ysubestación.
Conocer técnicas de medición deresistencias de puestas a tierra,tensiones de paso y de toque.
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CONTENIDO
1. Introducción2. Resistividad del terreno.
3. Calculo de puestas a tierra4. Ejecución de sistemas de puesta a
tierra5. Mediciones de parámetros asociados
DistriLuz Bibliografía
• www.lem.com
• www.abb.com
• www.avointl.com
• www.cyme.com
• www.loresco.com/cgi-bin/calculator.cgi
• www.etap.com
•[email protected] ,CEL: 99009096
• IEEE Std 80-2000 Guide for safety in AC Substation Grounding.
•IEEE Std 81-1983 Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, andEarth Surface Potential of a Ground System.
•IEEE Std 142-1991 80-1986 Grounding of Industrial and Commercial PowerSystems. Green Book
•Sistemas de puestas a tierra para especialistas, Autor: Leonidas Sayas Poma
•Instalaciones de Puestas a Tierra para tecnicos calificados, Autor: Leonidas SayasPoma
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DistriLuz I Introducción
1.2.
3.
4.
Objetivos y finalidad de la puesta a tierra.Limites de corriente en el cuerpo humano.
Duración de las corrientes accidentales
Aplicaciones
DistriLuz Definiciones básicas
Tierra
Conexión conductora, ya sea intencionalo accidental, por la cual un circuitoeléctrico o equipo está conectado alsuelo o algún cuerpo conductor de granextensión y que sirve en lugar del suelo.
Efectivamente puesto atierraContacto permanente a tierra a travésde una conexión a tierra de impedanciasuficientemente baja y que tenga unacapacidad de conducción suficiente paraque las corrientes de falla a tierra quepudiera ocurrir no ocacionen tensionespeligrosas para las personas y animales
ResistividadLa resistividad de un material es elreciproco de su conductividad y seexpresa en: -m, cm, -pulg
Resistividad superficialEs la resistividad de la primera capadel terreno utilizado para la puesta atierra.
Resistividad aparenteResistividad medida directamente omediante formula en un modelomultiestrato de terreno.
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DistriLuz
Puesta a tierra de protección
Es la conexión directa a tierra de las partesconductoras de los elementos de unainstalación no sometidos normalmente atensión eléctrica, pero que pudieran serpuestos en tensión por averías o contactosaccidentales, a fin de proteger a laspersonas contra contactos con tensionespeligrosas.
Definiciones básicas
Puesta a tierra de servicio
Es la conexión que tiene por objeto unira tierra temporalmente parte de lainstalaciones que normalmente están entensión o permanentemente ciertospuntos de los circuitos eléctricos dservicio.
Estas tierras pueden ser:
· Directas: cuando no contienenotra resistencia que la propia depaso a tierra.
· Indirectas: cuando se realizan através de resistencias o impedanciasadicionales.
DistriLuz Definiciones básicas
Tensión de Contacto (Vc)
Es la diferencia de potencial entre laelevación del potencial de tierra y elpotencial superficial en el punto endonde una persona esta paradamientras al mismo tiempo tiene unamano en contacto con una estructurametálica aterrizada.
Tensión de TransferenciaEs un caso especial del voltaje decontacto en donde un voltaje estransferido hacia el interior o la partede afuera de la subestación desde unpunto externo remoto.
Gradiente de potencial
Es la derivada del potencial conrespecto a la distancia (dV/dx)
Tensión de Paso (Vp)Es la diferencia de potencialsuperficial que puede experimentaruna persona con los pies separados a1 metro de distancia y sin hacercontacto con algún objeto aterrizado.
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DistriLuz Definiciones básicas
Tensión de Malla (Vm)Es la máxima tensión de contactodentro de una malla de tierras.
Conductor de Puesta aTierra de los EquiposConductor utilizado para conectar laspartes metálicas no conductoras decorriente eléctrica de los equipos,canalizaciones y otras envolventes, alconductor del sistema puesto a tierra,al conductor del electrodo de puestaa tierra o a ambos.
Resistencia Eléctrica delCuerpo HumanoEs la resistencia eléctrica medidaentre extremidades, esto es, entreuna mano y ambos pies, entre ambospies o entre ambas manos.
Sistema de TierrasComprende a todos los dispositivosde tierra interconectados dentro deun área específica.
DistriLuz Generalidades
• Físicamente Sistema depuesta a tierra (PAT) es unconjunto de elementos quepermiten un contactoeléctrico conductivo entre latierra y las instalaciones,equipos, estructuras, etc.
La PAT es de gran importancia en elcomportamiento del SEP y en laseguridad de las personas,especialmente durante anomalías.
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DistriLuz Generalidades
•Durante las anomalíasque puede sercorrientes de falla odescargas atmosféricas,el flujo de la corriente atierra da lugar a laaparición de gradientesde potencial (GP)peligrosos, ya seadentro o fuera de lainfraestructura eléctrica
DistriLuz Generalidades
1.0m
•De estos GPdependen latensión que sepuede obtenerentre dospuntos de lasuperficie delterreno,ejemplo latensión detoque y de pasoo lospotencialestransferidos.
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DistriLuz Generalidades
Vp1.0m
Los GP podrían poneren peligro la integridadfísica de las personasque se encuentren
próximas y provocar ladestrucción del materialeléctrico y electrónicosituado en su radio deinfluencia.
DistriLuz Generalidades
Incluso en el caso de
que en el lugar deldefecto existieran
elementos conductorestales como:
conduccionesmetálicas, cercados,
conductoresapantallados, etc.podrían transferirsetensiones peligrosas alugares muy alejados.
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DistriLuz Generalidades
Los factores que intervienen en estas condiciones de peligro son:
1º La elevada magnitud de la corriente de falla en relación al área ocupadapor la PAT.
2º Resistencia de PAT insuficientemente baja.
3º Resistividad del suelo y distribución de las corrientes de paso a tierratales que permitan la aparición de gradientes de tensión importantes enla superficie del terreno.
4º Presencia de un individuo en el lugar, instante y posición tales que estéen contacto con puntos de diferente potencial.
5º Suficiente duración de la falla para causar daño a las personas.
DistriLuz Objetivos y finalidad de laPAT
La infraestructura eléctrica deben tener un adecuado sistema de tierra al cualse conectan todos los elementos de la instalación que requieran ser puestos atierra para:
a) Proveer un medio seguro paraproteger al personal que seencuentre en la proximidad delsistema de tierras o de los equiposconectados a tierra de los peligros deuna descarga eléctrica debida acondiciones de falla o por descargaatmosférica.
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DistriLuz Objetivos y finalidad de laPAT
b) Proporcionar un circuito de muybaja impedancia para la circulaciónde las corrientes a tierra, ya seandebidas a una falla a tierra delsistema, o a la propia operación dealgunos equipos.
c) Proveer un medio para disipar lascorrientes eléctricas indeseables atierra, sin que se excedan los límitesde operación de los equipos
d) Facilitar la operación de losdispositivos de protección adecuadospara la eliminación de fallas a tierra.
DistriLuz Objetivos y finalidad de laPAT
e) Proveer un mediode descarga ydesenergización deequipos, antes deproceder a las tareasde mantenimiento.
f) Dar mayorconfiabilidad yseguridad al servicioeléctrico.
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DistriLuz Corrientes de falla en subestaciones
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTESDE FALLA SON:
a) Descargas atmosféricas, la demayor ocurrencia y deterioranlas líneas aéreas y los equipos dela subestación u otros edificios.
b) Reducción del aislamientoexterno, fenómeno debido a lacontaminación del medioambiente.
c) Actos de vandalismo
d) Sobretensiones de maniobra
e) Contacto accidental a tierrade las fases del sistema.
DistriLuz
ATERRAMIENTO DEL NEUTRO DESEP :
mayorservicio,
Neutro Flotante
Retorno deCorrientes
de Falla
Flotante
Real
Vn/3
Falla
If
a) Neutro aislado,continuidad delpoca seguridad.
R s
T
TensiónNeutro -Tierra
UNT=0
Corrientes de falla en subestaciones
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DistriLuz
ATERRAMIENTO DEL NEUTRO DESEP :
Neutro puesto a tierra, masseguro poca continuidad.
•
•
Solidamente a tierra
A traves de una R
• de una
Neutro a Tierra (U=0)
Corrientesde Falla
Real
Real
Vn/ 3
Falla
If
Conexión aTierra
Puestaa Tierra
Retorno de
N
R
A travesreactancia
sNeutro Fijo
UN
T
Corrientes de falla en subestaciones
DistriLuz Contornos equipotenciales ensubestaciones durante una falla
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DistriLuz Potenciales peligrosos ensubestaciones durante una falla
DistriLuzCorrientes de falla en lineas
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTESDE FALLA SON:
a) Perturbaciones muy rápidas,por el orden de uS, da lugar auna onda que viaja a al velocidadde la luz.
b) Perturbaciones rápidas,Tiempo de duración por el ordende mS y son todas las fallasshunt.
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DistriLuzCorriente de falla a tierra
DistriLuz Valor de la corriente de fallaa tierra
If 3V3Zs3Zf Zo Z1 Z2
Donde:
If: Valor rms de la corriente de falla a tierra en el instante de inicio de lafalla en amperios.
V: Tensión de fase en Voltios.
Zs:Impedancia de puesta a tierra de la instalación en .
Zf: Impedancia de falla en
Zo,Z1,Z2: Impedancias de secuencia del sistema en el lugar de falla en
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DistriLuz Factores que influyen en el GPalrededor de una estructura
1. Magnitud de la If
2. Localización de la falla conrespecto a los terminales de lalínea
3. Resistencia de PAT de la SE en losterminales de la LT
4. Arreglo del conductor en la torre ylocalización de la fase fallada
5. RPAT promedio de la LT y RPATde la torre mas cercana a la falla
6. Sección, material y dimensionesdel CG y de los contrapesos dePAT
7. Resistividad del suelo
DistriLuz Perfil de GP alrededor deuna estructura
Los potencialesa normalesalcanzan sumáximo valoren la base de latorre ydecrecenrapidamente alalejarse de ella.
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DistriLuz Corrientes de falla eninstalaciones de MT
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTESDE FALLA SON:
a) Predominantemente fallas atierra por deterioro delaislamiento, soluciónincremento de frecuencia demantenimiento o aumentarla linea de fuga delaislamiento.
b) Fallas evolutivas pordeficiencia de aislamiento.
DistriLuz Potenciales anormalesdurante la falla en MT
Vp
VC
1m
1m
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DistriLuz Evaluación de la corrienteeléctrica en el cuerpo humano
Corriente a través del Cuerpo Humano
El cuerpo humano, constituido de tejidos celularescomplejos (contenido de agua y diferentes sales),presenta facil conduccón de corriente, de resistenciapromedio entre 500 y 1500 ohmios, que es función de:peso, estatura y los puntos de contacto; la más peligrosaes cuando el contacto ocurre entre manos y pies o entremanos ya que dichos circuitos comprometen la mayorparte de organos vitales, incluyendo el corazón y no asicuando la corriente circula entre ambos pies en que paratener una peligrosidad similar deberia ser casi 25 vecesmayor, o tener una larga duración.
DistriLuz
Para t>1s
1mA9 y 25 mA
25 mA
Limite de una percepción humanaMalestar y dolor con descontrol de músculosestriados que eventualmente impide soltar unobjeto energizadoProducen contracciones en los músculos,respiración dificil.
50 a 100mA Fibrilación ventricular y muerte consecutiva(en un tiempo de hasta 3 segundos.
SOLICITACIONES ELECTRICAS ALCUERPO HUMANO
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AF
EC
TA
CIÓ
NR
AN
GO
PO
RC
EN
TU
AL
SOLICITACIONES ELECTRICAS AL CUERPOHUMANO
CORRIENTE TOLERABLE (mA)
8 10 14 18 20
DistriLuz
99
95
80
60
40
20
5
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DistriLuz Efrectos de la corriente en mA
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Ic(50)
Ic(70)
DistriLuz Criterios de Duración de laCorrientes Accidentales
Corrientes > a 100 mA pueden ser tolerables sin ocasionarfibrilación, si t<0.1s; las conclusiones de Dalziel muestranque el 99.5% de personas pueden soportar sin fibrilaciónventricular, corrientes de valor (Ic), calculables a partir de laexpresión que toma en cuenta la constante de energía deagunate del cuerpo humano.
c ×t k
0.116t
0.157t
De donde:k=0.0135 para personas de 50 kg de pesok=0.024649 para personas de 70 kg de pesoIc: corriente en amperios que fluye por el cuerpot: tiempo en segundos que debe estar entre 0.3 y 3 segundos
DistriLuz Criterios de Duración de las CorrientesAccidentales
Es decir, se puede tolerar 116 mA en 1s o 367 durante 0.1s (6ciclos); por lo tanto se puede soportar mayores corrientes si sedispone de sistemas de protección rápidos, que aclaran lasfallas, resultando materia de análisis de decisión de utilizar losintervalos de accionamiento de los Relés de alta velocidad paralos réles de respaldo, para el diseño de puestas a tierra.
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DistriLuz Criterios de Duración de las CorrientesAccidentales
Los recierres automaticos rápidos de los interruptoresmodernos, pueden significar un segundo Shock con unintervalo libre inferior a medio segundo, de modo que dicholapso permita a la víctima, librarse del contacto, ya que de noser así, el segundo shock aún siendo menos intenso podrá sermás peligroso y hasta ocasionar la muerte.
DistriLuz Diferencia de potecial (ddp) permisible
La ddp dende de la Ic y de las resistencias de contacto entre lospies y entre una mano y los pies.Donde:dp : Distancia entre los piesIA : Corriente del circuito accidentalRA : Resistencia efectiva total del circuito accidentalIc : Corriente limite del cuerpo
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I A
DistriLuz CIRCUITO DE TENSION DE PASO
U Rc
IA
RpIA
dp
Rp
RMP
Donde:IA = Corriente de fallaRA = Resistencia de falla totalR2PS=2(RP-RMP),resistencia de dos pies en serieRMP=Resistencia mutua entre piesRP = Resistencia propia de un pieRC = Resistencia del cuerpoCS=Factor de reducción para capa superficial S=Resistividad superficial primera capa
d p 1m
R A R c 2 R p -2 R MP
U
R A
R C 1000
R 2 PS 6
R 2 PS 6 s C S
RA RC (RP RMP)
RP
RMP
DistriLuz CIRCUITO DE TENSION DE TOQUE
U RC
RMP
IA
RP
RP
12
R2PP 1.5R2PP 1.5CSS
Para:
4b
2 dP
Donde:R2PP=1/2(RP+RMP),resistencia de dos pies en serieRMP=Resistencia mutua entre piesRP = Resistencia propia de un pieRC = Resistencia del cuerpoCS=Factor de reducción para capa superficial S=Resistividad superficial primera capa
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DistriLuz Valores de resistencias de contacto
Los límites de diseño se han establecido comotensiones y para llegar a los límites apropiados, esnecesario considerar la impedancia a través del cuerpohumano, la resistencia de contacto de la mano, laresistencia del calzado y la resistividad del materialsuperficial bajo el calzado. Suponiendo:
100 Ohm – metro la resistividad del suelo.
1000 Ohm para la impedancia del ser humano.
4000 Ohm de impedancia para el calzado.
300 Ohm resistencia de contacto de la mano.
0,09(1
DistriLuz Tensión de paso y de contactopermisibles por el cuerpo humano
)
CS 1
S
2hs 0,09
UContacto(70) (10001.5CS S)0.157/ t
UContacto(50) (10001.5CS S)0.116/ t
UPaso(70) (10006CS S)0.157/ t
UPaso(50) (10006CS S)0.116/ t
Cs = 1 para suelos homogeneoshS=espesor de la capa superficial
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DistriLuz
0.8
0.6
0.4
0.2
0.04 0.08 0.20 0.24
0
Cs
hs
012
hs
0.16
(metros)
-0.8-0.9
-0.7
-0.6
-0.2
-0.3
-0.4
-0.5
Determinación grafica de Cs
K=01.0
-0.1
- S
S
K
Ten
sión
de
con
tact
op
erm
itid
o(v
)
DistriLuz Valores tolerables de Uc
con gravilla
sin gravilla
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DistriLuz Aplicación
Determinar la tensiones admisible para una persona de 70 kgsi la falla es despejado en 200ms y la resistividad superficial1000 -m y la resistividad del terreno es 100 -m , edemasel espesor de la primera capa es de 0,2m.
DistriLuz Tarea No 01
Determinar la tensiones admisible para una persona de 50 kgsi la falla es despejado en 300ms y la resistividad superficial1500 -m y la resistividad del terreno es 150 -m , ademasel espesor de la primera capa es de 0,7m.
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DistriLuz Tarea No 02
Si estamos dentro de una subestación GIS, determinar latensiones admisible para una persona de 70 kg, para unafalla que es despejado en 130ms.