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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

1 CURSO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA QUITO, ECUADOR, JULIO DEL 2010

Índice. 1.- Introducción. 1.1.- Definiciones.

3 3

¾

Sistemas de neutros y los sistemas de distribución.

¾

Sistema de puesta a tierra y masa.

1.2.- Clasificación de las puestas a tierra. 1.3.- Resistencia de una puesta a tierra. 1.4.- Factores de que depende la resistividad del terreno. 1.5.- Sistemas de puesta a tierra naturales. 1.6.- Sistemas de puesta a tierra artificiales. 1.7.- Ecuación general de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo. 1.8.- Electrodos verticales. 1.9.- Comportamiento de los electrodos verticales ante impulso. 1.10.- Electrodos horizontales. 1.11.- Comportamiento de los electrodos horizontales ante impulso. 1.12.- Mallas de tierra. 1.12.1- Sistema ideal de tierra y de masa. 1.13.- Medición de la resistencia de puesta a tierra y de la resistividad del terreno. 1.14.- Caída de potencial en los electrodos de tierra. 1.15.- Tensiones de paso y de contacto. 1.16 Sistema de puesta a tierra en las líneas aéreas. 1.17.- Protección de las puestas a tierra contra la corrosión. 1.18.- El mantenimiento de los Sistemas de Puesta Tierra

11 11 12 18 18 19 21 28 30 33 34 38 39 43 46 47 48 51

2.- Las sobretensiones en los Sistemas de Baja Tensión.

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Bibliografía.

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1.- INTRODUCCIÓN. En las instalaciones eléctricas de cualquier tipo, por razones de seguridad para el personal que las opera, es necesario que todas las estructuras metálicas se mantengan al menor potencial posible respecto a tierra, tanto bajo condiciones de operación normales como bajo condiciones de falla. La posibilidad de que en cualquiera de las partes metálicas accesibles al contacto con las personas se presenten potenciales respecto a tierra peligrosos se puede reducir considerablemente, e incluso llegar a eliminarse, mediante la puesta a tierra de las mismas. El valor de la resistencia de la puesta a tierra debe ser lo más pequeño posible a fin de limitar la tensión. Sin embargo, una puesta a tierra no puede considerarse como buena sólo por presentar un bajo valor de resistencia, ya que es necesario que se cumpla que el producto de la corriente de falla multiplicado por la impedancia de la puesta a tierra de un valor de tensión que no sea peligroso para el hombre y que, además, satisfaga los requerimientos de operación de la instalación. 1.1.- DEFINICIONES. Sistemas de neutros y los sistemas de distribución. Los sistemas de distribución eléctrica se clasifican en tres tipos, atendiendo a dos aspectos fundamentales: ¾ ¾

la relación entre el sistema de suministro y la tierra, primera letra de la clasificación. la relación entre la conexión a tierra de las partes conductoras accesibles de la instalación y la tierra del sistema, segunda letra.

Los tipos de sistemas son: − Sistema TN: • tiene un punto del sistema conectado directamente a tierra. • las partes conductoras accesibles de la instalación se conectan directamente al punto de tierra del sistema mediante un conductor de protección. − Sistema TT: • tiene un punto del sistema conectado directamente a tierra. • las partes conductoras accesibles de la instalación están conectadas directamente a una tierra, eléctricamente independiente de la tierra del sistema. − Sistema IT: • ningún punto del sistema está conectado directamente a tierra. • las partes conductoras accesibles de la instalación están conectadas a tierra. Las letras utilizadas en el código tienen el siguiente significado: Primera letra (T o I): T-

Uno de los puntos del sistema, generalmente el neutro, se conecta directamente a tierra.

I-

Todas las partes activas del sistema están aisladas de tierra o un punto del sistema se conecta a tierra a través de una impedancia de alto valor.

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Segunda letra (T o N): T-

Las partes conductoras accesibles de la instalación están directamente conectadas a tierra y esa tierra es eléctricamente independiente de la tierra del sistema.

N-

Las partes conductoras accesibles de la instalación están directamente conectadas al punto del sistema conectado a tierra y ese punto en los sistemas de corriente alterna generalmente es el neutro.

Teniendo en cuenta la forma en que se relacionan los conductores neutro y de protección a través de la instalación, se reconocen tres tipos de sistemas TN. los conductores neutro y de protección están separados a través de todo el sistema. las funciones de protección y de neutro están combinados en un solo conductor a través de todo el sistema. las funciones de protección y de neutro están combinadas en un solo conductor en parte

Sistema TN-S: Sistema TN-C: Sistema TN-C-S: del sistema. Letras subsiguientes: S-

Las funciones de neutro y de protección se realizan por conductores separados.

C-

Las funciones de neutro y de protección están combinadas en un solo conductor (conductor PEN).

El significado de las letras utilizadas en la clasificación de los sistemas es el siguiente: − − − − −

T- tierra (f: Terre); I - aislamiento ( f: Isolation); N- neutro (f: Neutre); S- separado (f: Séparé) C- combinado (f: Combiné)

Respecto a los conductores, los códigos utilizados significan: − N − PE − PEN

conductor neutro conductor de protección conductor con funciones de protección (PE) y de neutro (N) combinadas; está aceptada y es ampliamente utilizada la versión corta, conductor PEN. conductor con funciones de tierra funcional (F) y de protección (PE) combinadas. − FPE Nota: Este término aparece recogido en DIN VDE 0800, Parte 2/07.85. “Telecomunicaciones. Conexiones equipotenciales y a tierra”. − L1, L2, L3 conductores de fase 1, 2 y 3.

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Para la representación en planos y diagramas se utilizan para estos conductores los siguientes símbolos (según IEC 617 (1983)).

Representación esquemática de los sistemas de distribución eléctrica. − Sistemas trifásicos de corriente alterna.

Figura 1.A Sistema TN-S: conductores neutro (N) y de protección (PE) separados a través de todo el sistema.

Figura 1.B. Sistema TN-C: las funciones de protección (PE) y de neutro (N) están combinadas en un mismo conductor (PEN).

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Figura 1.C. Sistema TN-C-S: en una parte del sistema las funciones de protección (PE) y de neutro (N) están combinadas en un mismo conductor (PEN), mientras en la otra parte del sistema los conductores neutro (N) y de protección (PE) están separados.

Figura 1.D. Sistema TT.

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Figura 1.E. Sistema IT.

Figura 1.F. Sistema TT conectado a un sistema TN-S.

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Figura 1.G. Sistema TT conectado a un sistema TN-C. Sistemas monofásicos de corriente alterna.

Figura 1.H. Sistema TN-S.

Figura 1.I. Sistema TN-C.

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Figura 1.J. Sistema TN-C-S.

Figura 1.K. Sistema TT.

Figura 1.L. Sistema IT.

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Sistema de puesta a tierra y masa. Para facilitar la comprensión de los capítulos siguientes, damos algunas definiciones: ¾ ¾

Tierra (profunda): masa conductora del planeta que es la referencia de modo común de las instalaciones eléctricas, Toma de tierra: conductor en contacto directo con la tierra,

¾

Resistencia de la toma de tierra: resistencia entre el (o los) conductor(es) que constituyen la toma de tierra y la tierra profunda,

¾

Red de tierra: conjunto de conductores de protección (CP) ligado a la toma de tierra, cuyo objeto es evitar la aparición de una tensión peligrosa entre las masas eléctricas y la tierra en caso de defecto de aislamiento (contacto indirecto), n masa eléctrica: parte conductora de un material eléctrico que puede quedar con tensión cuando se produce un defecto de aislamiento,

¾

Masa funcional: parte conductora de un material electrónico que tiene una misión de pantalla y frecuentemente de referencia de potencial (0 voltios). Un material de clase II no tiene masa eléctrica, pero puede tener una masa funcional,

¾

Masa de acompañamiento: estructura de masa o conductor, tal como una plancha mallada, un electrocanal metálico o un blindaje, que acompañan de principio a fin a un cable de señal al que protegen para conseguir reducir los acoplamientos electromagnéticos (HF) o comunes,

¾

Redes de masas funcionales: conjunto de conductores de masa de acompañamiento y de estructuras conductoras de los edificios que tienen la misión de equipotencialidad y de pantalla frente a las perturbaciones.

Conviene destacar que un sistema de tierra tiene la misión de protección de personas (60 Hz) y que el sistema de masas tiene una misión funcional en la transmisión de información y la protección contra las perturbaciones electromagnéticas. En general se puede plantear que la denominación de puesta a tierra comprende la unión metálica directa, sin fusibles ni protección alguna, mediante un conductor de sección suficiente entre determinados elementos de una instalación o equipo y un electrodo, grupo de electrodos, o mallas enterradas en el suelo, con el objetivo de conseguir que en el conjunto de instalaciones, edificios, equipos y en la superficie de las instalaciones no existan diferencias de potencial peligrosas y además, que permita el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosféricas. El diseño de un sistema de tierra no debe concretarse únicamente a obtener una baja resistencia en la puesta a tierra sino que, además, debe cumplir con los parámetros requeridos para: • • • • •

La puesta a tierra para la protección contra procesos transitorios debido tanto a operaciones o fallas en el sistema como a descargas atmosféricas. La puesta a tierra de neutros para estabilizar los potenciales en los circuitos respecto a tierra y proporcionar los medios para la utilización de relevadores para la protección contra fallas a tierra. Asegurar que las estructuras que no llevan corriente, tales como armazones de equipos, estructuras metálicas, etc., estén siempre al potencial de tierra, aún en el caso de falla del aislamiento. Reducir a un mínimo que no sea peligroso los gradientes de potencial en la superficie de las subestaciones y demás instalaciones durante las máximas condiciones de falla. Minimizar la interferencia en los sistemas de comunicación.

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La circulación de corriente por la instalación de puesta a tierra puede originar la aparición de diferencias de potencial entre ciertos puntos, por ejemplo, entre ellas y el terreno que la rodea, por cuya razón debe concebirse la instalación de puesta atierra para que, incluso con la aparición de dicha diferencia de potencial, se cubran los siguientes objetivos: • • • •

Seguridad de las personas. Protección de las instalaciones. Mejora de la calidad del servicio. Establecimiento y permanencia de un potencial de referencia.

Debe hacerse especial énfasis en que la seguridad de las personas es lo primario y se constituye en el fin primordial de toda instalación de puesta a tierra, lo que no significa que se deje de reconocer la importancia de los otros objetivos. 1.2.- CLASIFICACION DE LAS PUESTAS A TIERRA. Cada puesta a tierra cumple un objetivo bien definido, por lo que los mismos se pueden clasificar como: • • •

Puesta a tierra para protección. Puesta a tierra para funcionamiento. Puesta a tierra para trabajo.

Puesta a tierra para protección.- Como su nombre lo indica está dada por la necesidad de conectar a potencial de tierra todas las partes metálicas de cualquier instalación que no se encuentran sometidas a tensión normalmente, pero que a causa de fallas en el aislamiento puedan llegar a tener un potencial respecto a tierra. Estas partes metálicas se refieren a: las estructuras metálicas de las subestaciones o de las líneas de transmisión, el tanque de los transformadores e interruptores, la carcasa de las máquinas rotatorias, los paneles de control, etc. Puesta a tierra para funcionamiento.- Para el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos y de algunas de sus componentes es necesario, en muchas ocasiones, establecer una conexión a tierra en determinados puntos. Ejemplos de este tipo de puesta a tierra son la conexión a tierra del neutro de los generadores y de los transformadores, la conexión a tierra de los pararrayos, cables protectores, etc. Puesta a tierra para trabajo.- En los trabajos de reparación y mantenimiento de muchas instalaciones es necesario conectar a tierra, temporalmente, las partes normalmente energizadas a fin de evitar accidentes debido a la reconexión indebida de la misma o a las tensiones inducidas por sistemas energizados cercanos. 1.3.- RESISTENCIA DE UNA PUESTA A TIERRA. El valor de la resistencia de una puesta a tierra depende de muchos factores entre los cuales están: • La resistencia de contacto entre el aparato protegido y el conductor de tierra. • La impedancia del conductor y de la resistencia de contacto de su conexión al electrodo. • La resistencia propia del electrodo. • La resistencia de contacto entre el electrodo y la tierra. La resistencia del sistema de electrodos. Si se selecciona el conductor adecuado y se evitan recorridos largos y sinuosos la impedancia del conductor es despreciable.

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Las resistencias de contacto entre el conductor y el aparato protegido y entre el conductor y el electrodo son despreciables siempre que se aseguren fuertemente los contactos. Con la selección adecuada del electrodo su resistencia es despreciable, sin embargo, su resistencia de contacto con la tierra puede ser apreciable si su superficie está grasienta o si al hincar el mismo en la tierra éste queda holgado. La resistencia del sistema de electrodos se define como la resistencia que existe entre él y otro electrodo situado a gran distancia (tierra de referencia). La resistencia del sistema de electrodos depende de sus dimensiones físicas y fundamentalmente de la resistividad del terreno. 1.4.- FACTORES DE QUE DEPENDE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO. La resistividad del terreno es el factor determinante en la magnitud de la resistencia de una puesta a tierra y la misma depende del: • Tipo de terreno. • Humedad del terreno. • Salinidad del terreno. • Temperatura del terreno. • Granulometría del terreno. • Compacticidad del terreno. • Estratografía. • Otros factores. Tipo de terreno. - La variación de la resistividad según la composición del terreno es muy grande, tropezándose con la dificultad de que los diferentes tipos de terreno no están delimitados como para saber, de antemano, el valor de la resistividad en el punto elegido para efectuar la puesta a tierra. Sucede, incluso, que para una misma clase de terreno, situado en distintos lugares, la resistividad puede ser sensiblemente diferente. Algunos valores que pueden tomarse como referencia para diferentes tipos de terrenos se muestran en la Tabla 1.4.1. Tabla 1.4.1. Resistividad de algunos tipos de terrenos. Naturaleza del tipo de terreno Terrenos pantanosos Limo Humus Arcilla plástica Marga y arcillas compactas Margas del jurásico Arena arcillosa Arena silícica Suelo pedregoso cubierto de césped Suelo pedregoso desnudo Calizas blandas Calizas compactas Calizas agrietadas Pizarras Rocas de mica y cuarzo Granito gris Grava

Resistividad en Ω-m. Hasta 30 20-100 10-150 Hasta 50 100-200 30-40 50-500 200-3000 300-500 1500-3000 100-300 1000-5000 500-1000 50-300 hasta 800 1500-10000 3000-5000

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Tabla 1.4.1.a Resistividad de algunos tipos de materiales.

Humedad del terreno.- Otro factor de importancia en el valor y estabilidad de la resistencia de una puesta a tierra es la cantidad de agua contenida en el terreno y las variaciones de ésta a lo largo de las estaciones, ya que una pequeña variación en el porciento de humedad contenida puede producir una variación apreciable en la resistencia de la puesta a tierra; sí se tiene, por ejemplo, que los resultados obtenidos para un electrodo vertical hincado en un terreno de arcilla roja muestran que el valor de la resistividad específica del terreno aumentó en 3-4 veces con una disminución de la humedad de un 10 % (del 20 al 10 %); mientras que para valores mayores de un 20 % no se presentó ninguna variación apreciable en su resistividad. Esta variación provoca que el valor de la resistencia de la puesta a tierra cambie en dependencia de las precipitaciones. En general se puede plantear que a medida que el grado de humedad aumenta, cuyo principal efecto es disolver las sales contenidas en el terreno, la resistencia disminuye con rapidez pero, a partir de cifras del orden del 15 % en peso, esta disminución es mucho menos acusada a causa de que se alcanza prácticamente la saturación del terreno.

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Debido a la dependencia de la resistividad de la humedad del terreno, es necesario que las mediciones de la misma se efectúen en época de seca para así poder realizar los cálculos sobre la base de las peores condiciones. Teniendo en cuenta esta condición es que en la construcción de una instalación de puesta a tierra lo mejor es acercarla lo más posible al nivel del agua permanente a fin de minimizar los efectos de la variación de la resistividad con las estaciones. La distribución del tamaño de los granos tiene un efecto importante en la manera en que un terreno mantiene la humedad. A medida que el terreno es más compacto los valores de resistividad disminuyen. La dependencia de la resistividad de la humedad del terreno hace necesario, en muchas ocasiones, el uso de sustancias higrométricas que fijen la humedad en el terreno tales como la sal común y el carbón vegetal. El mantener sobre las tomas de tierra un pequeño terreno (aproximadamente 50 m2) cubierto de césped puede ayudar a mantener la humedad al evitar las evaporaciones.

En todo tipo de terreno se presenta una capa que es la más afectada por las variaciones temporales del contenido de humedad con las lluvias y con las estaciones, por lo que su resistividad variará con el contenido de humedad. El espesor de esta capa rara vez excede los 1.8 m. Como no siempre es posible efectuar todas las mediciones de la resistividad del terreno bajo las condiciones de mínimo contenido de humedad es conveniente afectar las mediciones de ésta por el denominado factor de sequedad del terreno (Fs): Para terrenos húmedos Para terrenos semihúmedos Para terrenos secos

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Fs=1.8 Fs=1.4 Fs=1.0

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Salinidad del terreno.- La resistividad del terreno depende de su composición química lo que determina la cantidad de sales disueltas en el agua que él contiene. Una pequeña cantidad de sal disuelta puede reducir la resistividad considerablemente, lo que explica el porque suelos similares, para diferentes localidades, tienen diferentes resistividades. Así se tiene que para terrenos de alta resistividad, en los cuales es necesario bajar la resistencia de una puesta a tierra, se obtienen buenos resultados si en lugar de electrodos verticales convencionales se usan tubos galvanizados horadados, los que periódicamente se llenan de una solución salina. Las sales más comunes son: la sal común, el cloruro de calcio, el sulfato de cobre, el sulfato de magnesio, etc. Granulometría.- Es un elemento importante que influye, a la vez, sobre la porosidad y el poder de retener la humedad y también sobre la calidad del contacto con los electrodos, incrementándose la resistividad con el tamaño de los granos. Esta es la razón por la que el valor de la resistividad de la grava sea superior a la de la arena y la de ésta superior a la de la arcilla. Los suelos de granos gruesos se prestan mal al establecimiento de buenas redes de tierra, circunstancia que se puede paliar rodeando la superficie de los electrodos de un cierto espesor de tierra fina o de otro material más conductor. Compacticidad.- La resistividad se ve afectada por el grado de compacticidad del terreno disminuyendo al aumentar ésta. Por esta razón es que cuando se efectúa un movimiento de tierra, si ésta no se compacta artificialmente, la resistividad del terreno irá disminuyendo con el tiempo y no es hasta aproximadamente dos años después que no alcanza su valor estable. Estratigrafía.- La resistividad de un terreno es la correspondiente a la resultante de las diversas capas de que está constituido. Puede suceder que una sola capa presente una resistividad tan baja que la influencia de las demás sea imperceptible, tal como ocurre cuando se alcanza la zona de humedad permanente o el manto friático.

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En la siguiente figura se observa que el comportamiento de la resistividad del terreno no es uniforme y depende de la característica de los estratos y en un caso real se puede dar terrenos con diferentes capas con resistividades y espesores diversos que pueden ser mayor a lo requerido, por lo tanto no tendría éxito la puesta a tierra en esta capa.

Temperatura del terreno.- La resistividad del terreno asciende a medida que desciende la temperatura y ese efecto se acentúa al alcanzarse los 0 ºC hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos lo que influye directamente en la resistividad del terreno, elevándose ostensiblemente la misma. Para valores de temperatura superiores a la temperatura de congelación el efecto es menos apreciable, aunque entre algunos grados y 25 ºC puede llegar a duplicarse.

Variaciones estacionales. Varios de los factores antes descritos, como son la humedad, temperatura, salinidad, etc., se ven afectados a lo largo del año, debido a las variaciones estacionales y climatológicas.

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Otros factores.- Existen otros factores distintos a los ya enumerados que son capaces de modificar apreciablemente la resistividad del terreno pero que, por su naturaleza eléctrica, sólo pueden surgir posteriormente al establecimiento de la red de tierra, tales como: • •

El efecto de los gradientes de potencial elevados. El calentamiento del suelo a consecuencia de la circulación de corrientes de puesta a tierra elevadas o de forma prolongada.

Cuando el contacto entre un electrodo y el terreno no es bueno la resistencia de puesta a tierra es alta debido a que aparecen entre ellos pequeñas capas que son prácticamente aislantes. Cuando circula una corriente a tierra, a partir de un valor determinado de ésta, hace que se alcance un gradiente de tensión en dichas capas tal que permita el desarrollo de pequeñas descargas que las cortocircuitan, por lo que bajo estas condiciones el sistema de puesta a tierra tendría valores inferiores de resistencia a los que le corresponderían antes de la aparición de las descargas. Este efecto sólo es apreciable en los sistemas de puesta a tierra de pequeñas dimensiones. Para magnitudes de corriente altas el gradiente de potencial puede llegar, en las proximidades inmediatas de los electrodos, a alcanzar valores tales que provoquen la perforación del terreno, dando lugar a la formación de uno o varios arcos que, a partir de puntos del electrodo, se propaguen a través del suelo en diversas direcciones y con eventuales ramificaciones. Prescindiendo de la caída en el arco, que sólo es apreciable en el caso de electrodos de pequeñas dimensiones, el efecto de este fenómeno es equivalente a que las dimensiones del electrodo hubieran aumentado o a que la resistividad del terreno hubiera disminuido, pero por diseño debe evitarse el establecimiento de tales descargas ya que ni en el caso de los rayos es posible aprovechase de este fenómeno ya que la velocidad de propagación de los arcos en el suelo es muy lenta comparada con la duración del frente de onda de la corriente de un rayo. Debido a la circulación de corrientes elevadas puede incrementarse la temperatura del suelo, principalmente en las cercanías del electrodo de puesta a tierra, lo que tiende a hacer que aumente la conductividad del terreno debido a la característica eléctrica negativa que caracteriza a los electrolitos. Sin embargo, si el calor generado por estas corrientes elevadas es tal que provoca que el terreno se seque presentará un aumento considerable de su resistividad. El efecto inicial de una circulación prolongada de la corriente por una toma de tierra es disminuir su resistencia, con una importancia que depende de la contribución al valor total de la misma de las capas de terreno próximas, pero que no es apreciable más que para las puestas a tierra de pequeñas dimensiones. Pero con el tiempo la circulación prolongada de la corriente hace que aumente la temperatura del terreno alrededor del electrodo, alcanzando ésta su máximo valor en la proximidad inmediata del electrodo. Las condiciones pueden llegar a ser críticas cuando se alcanzan temperaturas próximas a los 100 ºC y se comienza a evaporar con rapidez el agua contenida en el terreno, dejando al electrodo en contacto con una capa de terreno seca y, por tanto, de mayor resistividad con lo que la resistencia de la puesta a tierra aumenta considerablemente. Si la temperatura que se alcanza es tal que se produce la calcinación del terreno alrededor del electrodo se alcanzarán los valores mayores de resistencia de puesta a tierra, llegando éste a perder su eficacia con lo que su potencial comienza a subir, pudiendo llegar al valor de la tensión de la red, situación en extremo peligrosa.

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1.5.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA NATURALES. Como se sabe el objetivo de cualquier puesta a tierra es el de dispersar la corriente en el volumen total de la tierra a través de la menor resistencia posible. Existe una gran diversidad de sistemas de puesta a tierra mediante el empleo de diferentes tipos de electrodos. Los electrodos usados en los sistemas de puesta a tierra se dividen en naturales y artificiales. Los sistemas de puesta a tierra naturales están constituidos por las masas metálicas que pueden existir enterradas para otros fines: los cimientos de hormigón armado situados en el perímetro de un edificio de carácter permanente, las redes extensas de conducciones metálicas soterrada (siempre que la continuidad eléctrica quede perfectamente asegurada), en especial las tuberías metálicas soterradas de usos hidráulicos, las cubiertas de plomo de conductores, etc. 1.6.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ARTIFICIALES. Los electrodos artificiales son aquellos sistemas de puesta a tierra empleados exclusivamente con este fin y pueden ser electrodos simples formados por barras, tubos, placas, cables cintas, etc. directamente enterrados. Además, forman parte de ellos los anillos o mallas metálicas formadas por algunos de los elementos anteriores o por la combinación de ellos. Estos electrodos normalmente están hechos de cobre, hierro galvanizado, o hierro sin galvanizar con protección catódica para hacerlos más resistentes a la humedad y a la acción química del suelo. Los electrodos artificiales pueden ser verticales u horizontales.

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1.7.- ECUACION GENERAL DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA DE UN ELECTRODO. Para obtener la ecuación general de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo, a través del cual fluye una corriente hacia la tierra, lo más fácil es plantearse el fenómeno como un problema electrostático, con una cantidad de carga dada y una distribución de campo eléctrico asociado al mismo. Para un instante de tiempo cualquiera se cumple que:

J=σE

1.7.1

Donde: J - Densidad de corriente. σ - Conductividad de la tierra. E - Intensidad del campo eléctrico. Como:

1 ρ

σ=

1.7.2

Siendo: ρ - Resistividad del terreno. Luego:

E ρ

1.7.3

E=

du dx

1.7.4

J=

1 du ρ dx

1.7.5

J= Como se sabe:

Luego:

Para una superficie cualquiera S que encierre al electrodo:

∫

J dS =

Como:

∫

1 du ρ dx

∫

I = J dS Se tiene que:

I=

1 ρ

∫

du dS dx

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1.7.6

1.7.7

1.7.8

20

Considerando el problema electrostáticamente, las líneas de flujo que atraviesan la misma superficie S se obtienen por la expresión:

N = ∫ E dS = ∫

du dS dx

1.7.9

Para cualquier instante de tiempo la carga Q encerrada en la superficie S será:

N =∫

du dS = 4 π Q dx

(Sistema C.G:S.):

1.7.10

Sustituyendo 1.7.10 en 1.7.8 se tiene que:

I=

4πQ ρ

1.7.11

U I

1.7.12

Como:

R= Y:

U=

Q C

1.7.13

Donde: C - Capacitancia electrostática. Sustituyendo 1.7.11 y 1.7.13 en 1.7.12 se tiene que:

R=

ρ 4π C

1.7.14

La expresión 1.7.14 da el valor de la resistencia de puesta a tierra para un instante de tiempo cualquiera en función de parámetros que no cambian con el tiempo, la misma sólo depende de la resistividad del terreno y de la capacidad electrostática que son independientes del tiempo. Así se tiene que para una esfera:

R=

ρ 4πr

1.7.15

Como la resistencia es inversamente proporcional al área para un electrodo semiesférico se tiene que:

R=

ρ 2πr

1.7.16

La expresión anterior puede transformarse en:

R=

r 2 ρ =ρ 2 2πr πr

1.7.17

Esta expresión presenta las dimensiones correspondientes a la formula de la resistencia de los conductores:

R =ρ

L S

1.7.18

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Lo antes expuesto permite afirmar que: la resistencia que opone un suelo homogéneo a la circulación de la corriente por un electrodo semiesférico es igual a la de un elemento cilíndrico del terreno con idéntica sección que la diametral del electrodo esférico y de una longitud (altura en este caso) igual a la mitad del radio del electrodo. Sin embargo, los electrodos semiesféricos apenas si se usan ya que su forma produce una mala utilización del metal y es preferible hacer que éste tenga una zona de contacto con el terreno más extensa. El perfil de las superficies equipotenciales de un electrodo semiesférico son semiesferas, tal como se puede apreciar en la Fig.1.14.1, y para cualquier otro tipo de electrodo éstas tenderán a la forma del electrodo a medida que la distancia a éste sea menor, pero a medida que uno se aleja de él éstas tenderán cada vez más a la del electrodo semiesférico. Por lo antes expuesto se puede plantear que siempre es posible hacer corresponder a cualquiera red de tierra de resistencia R con un electrodo semiesférico equivalente de radio re, de forma tal que enterrado en el mismo terreno presenta la misma resistencia de la puesta a tierra. En suelos homogéneos el radio del electrodo semiesférico equivalente es:

re =

ρ 2πR

1.7.19

El radio del electrodo semiesférico equivalente será intermedio entre las tres dimensiones del electrodo real. Un electrodo vertical es equivalente a una semiesfera de radio próximo a un sexto de su longitud y una placa superficial a una semiesfera de radio del 75 % de la misma 1.8.- ELECTRODOS VERTICALES. De los electrodos verticales el más común es el electrodo de varilla, Fig. 1.8.1. En la determinación de la capacidad electrostática de un electrodo vertical de varilla se emplea como modelo matemático un semielipsoide en el cual el semieje mayor es muy largo comparado con el semieje menor y para el cual:

C=

L 4L ln d

1.8.1

Donde: L - Longitud del electrodo bajo tierra. d - Diámetro del electrodo. Luego:

R=

4L ρ ln 2πL d

1.8.2

Empleando otros modelos matemáticos para el cálculo de la capacidad electrostática de una varilla se obtienen ecuaciones diferentes, aunque el valor de la resistencia de puesta a tierra es aproximadamente el mismo; así, en este caso está muy extendido el uso de la siguiente expresión:

R=

ρ ⎛ 8L ⎞ − 1⎟ ln⎜ 2πL ⎝ d ⎠

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1.8.3

22

Fig. 1.8.1.- Electrodo vertical de varilla en forma de pica.

De la fórmula anterior se desprende que la resistencia de puesta a tierra del electrodo vertical de varilla (Fig. 1.8.1) depende directamente de la resistividad del terreno y de sus dimensiones físicas tal como se muestra en la Fig. 1.8.2. Al aumentar la longitud del electrodo hincado en la tierra la resistencia primero disminuye bruscamente y después lo hace suavemente, lo que está determinado por el hecho de que al aumentar la profundidad del enterramiento la humedad del terreno se va estabilizando y con ello el valor de su resistividad. Además, se puede observar que a medida que aumenta la profundidad del electrodo la dependencia de la resistencia del radio del electrodo disminuye. La experiencia indica que la estabilización de la resistencia se logra para electrodos verticales hincados a una profundidad entre los 1.5 - 2.5 m, pues para estos valores la disminución de la resistencia es muy pequeña cuando se aumenta la profundidad. Analizando estos aspectos se llega a la conclusión de que para obtener el valor mínimo de resistencia con un electrodo de varilla es necesario enterrarlo 2.4 -3 m, pero en la práctica lo más usual es 1.8 m, ya que electrodos de varilla de mayor longitud necesitan métodos especiales para enterrarlos, lo que aumenta considerablemente el costo de la instalación. Claro está que en el caso de las subestaciones se justifica la utilización de electrodos con longitudes superiores a los 4.5 m (por regla general se emplean vigas y tuberías de gran diámetro), llegándose el caso de perforar pozos de puesta a tierra. Al aumentar el diámetro de los electrodos la resistencia de puesta a tierra disminuye, pero a partir de un diámetro de unos 20 mm la variación de la misma no es significativa. Con la finalidad de disminuir la resistencia de puesta a tierra de un electrodo vertical se puede situar el mismo en un medio artificial, para lo cual se hace un hueco en el centro del cual va el electrodo y el resto se rellena de un material de más baja resistividad que la tierra circundante.

R (Ω ) 800

d

700

L

600 500 400 300

d = 1 cm. d = 2 cm. d = 4 c m.

200 100 0 0

25

50

75

100

125

150

L (cm.) Fig. 1.8.2.-

D ep en den cia d e la resis ten cia d e p u esta a tie rra d e un e lec tro d o ve rtical d e v arilla de su diámetro y d e su lon g itud en el sistem a de pu esta a tierra de u n mo delo fís ico .

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23

En este caso la resistencia de puesta a tierra está dada por:

1 ⎡ (ρ − ρ C ) ln ⎛⎜ 8 L −1⎞⎟ + ρ C ln ⎛⎜ 8 L −1⎞⎟⎤⎥ ⎢ 2πL ⎣ ⎝ d ⎠⎦ ⎝ D ⎠

R=

1.8.4

Donde: ρ - Resistividad del suelo (Ω-m). ρc - Resistividad del material del relleno (Ω-m). d - Diámetro del electrodo (m). D - Diámetro del relleno (m). L - Profundidad del electrodo (m). El material de relleno se debe caracterizar por poseer menor resistividad y por tener una dependencia lo menor posible de las estaciones del año. Un material de relleno posible a utilizar es el hormigón cuya resistividad varía entre 30-90 Ω-m, ya que esta resistividad es menor que la de muchos tipos de suelos. En muchas ocasiones se emplean las bases de hormigón reforzado con acero como electrodos de tierra, pues pueden llegar a proporcionar bajos valores de resistencia de puesta a tierra. Si el acero del refuerzo está distribuido simétricamente la resistencia de una base de hormigón está dada por:

R=

⎡ (ρ C − ρ ) ln ⎛⎜ 1− δ ⎞⎟ + ρ ln ⎛⎜ 2 L ⎞⎟⎤⎥ ⎢ 2π L ⎣ Z⎠ ⎝ ⎝ Z ⎠⎦ 1

Donde: ρ - Resistividad del suelo (Ω-m).

T a b l a 1 .8 .- F a c t o r g e o m é t ri c o Z q u e d e p e n d e d e l a d i s t r i b u c ió n d e l r ef u er z o d e a c e ro d e n t r o d e l a e s t r u c t u r a d e l h o rm ig ó n .

ρc - Resistividad del hormigón (Ω-m).

# d e c a b i ll a s

D is p o s i c i ó n

2

L - Longitud refuerzo (m).

del

acero

1.8.5

o

Z a s

2

3

a s

2

6

6 a s

o

de o

3 o

d - Espesor del hormigón entre el refuerzo de acero y el suelo (m). 6

Z - Factor geométrico que depende de la distribución del refuerzo de acero dentro del hormigón (Tabla 1.8).

o

o

o

o

o

o

o

4

o

o

o

o

5

4

(2 a s )

8

52 a s

7

8

23 a s

7

2

1 2

o

8

o

o

o

o

o

o o

8

o o o

o o

o o o

N o ta: a - R a d i o d el e l e c t ro d o ( m ) . s - D is t a n c i a e n t r e c a b il la s a d y a c e n t e s ( m ) .

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24

Cuando con un sólo electrodo de varilla no se alcanza la resistencia de puesta a tierra adecuada, es necesario hincar en el terreno más de un electrodo. La disminución de la resistencia dependerá de la profundidad de los electrodos de su separación y de su disposición, tal como se muestra en la Fig. 1.8.3.

Disposición de los electrodos

R (Ω) 300 250 200 150

En la práctica se ha comprobado que con dos electrodos separados una distancia igual o ligeramente superior a su longitud se obtiene una reducción en la resistencia de puesta a tierra de aproximadamente un 40 % del valor obtenido con una sola, tendiendo este valor al 50 % para distancias muy grandes, comparadas con la longitud del electrodo, tal como se muestra en la Fig. 1.8.4. Para tres electrodos la disminución en la resistencia llega hasta alrededor de un 60 %. Para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales es necesario tener en cuenta la separación entre ellos y además la disposición geométrica de los mismos. Así se tiene que para dos electrodos la resistencia de puesta a tierra debe ser calculada por una de las siguientes dos expresiones:

1

100

2 3 5

50

cm.

0 0

2

4

6

8

10

12

14

Fig. 1.8.3.- Variación de la resistencia de puesta a tierra con el número de electrodos y con la profundidad en un medio homogéneo en un modelo físico. Separación entre los electrodos 10 cm.

od 75 rot ce 70 le n 65 u e d 60 iac n tes 55 is er 50 al e 45 d % 40

Dos electrodos de: L = 3m d = 15,9 mm

0

5

10

15

20

25

30

Espaciamiento en metros Fig. 1.8.4.- Efecto del esp aciamiento entre electrodos sobre la resistencia.

Si :S > L

R=

ρ ⎡ ⎛ 8L⎞ ⎤ ρ ⎛⎜ ρ ln ⎜ 1− ⎟ − 1⎥ + ⎢ ⎜ 4 π L ⎣ ⎝ d ⎠ ⎦ 4 π S ⎝ 3 S2

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

1.8.6

Si S < L

ρ ⎡ ⎛⎜ 32 L2 R= ⎢ln 4 π L ⎣⎢ ⎜⎝ S

2 ⎤ ⎞ ⎟−2 + S − S ⎥ ⎟ 2 L 16 L2 ⎦⎥ ⎠

1.8.7

Donde: S - Separación entre los electrodos (m).

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25

Para determinar la resistencia de puesta a tierra de un número determinado de electrodos verticales, el modelo matemático necesario para determinar la capacidad electrostática, es demasiado complejo, por lo que en la práctica la resistencia a tierra de varios electrodos verticales iguales está dada por:

RP =

R n NV

1.8.8

Donde: RP - Resistencia del grupo de electrodos (Ω). R - Resistencia de un electrodo (Ω). NV - Coeficiente de apantallamiento (Tabla 1.8.1). n - Número de electrodos. Tabla 1.8.1.- Coeficientes de apantallamiento para electrodos verticales y horizontales. 1 n 3 5 6 8 10 20 30 50 70 100

NV 0,75 0,69 0,62 0,58 0,55 0,47 0,43 0,40 0,38 0,35

2 3 4 5 6 10 15 20 30

0,85 0,78 0,74 0,70 0,63 0,59 0,54 0,49 0,43

Relación S/L 2 Electrodos en circulo o polígono NH NV NH 0,50, 0,77 0,60 0,45 0,75 0,55 0,40 0,73 0,48 0,36 0,71 0,43 0,34 0,69 0,40 0,27 0,64 0,32 0,24 0,60 0,30 0,21 0,56 0,28 0,20 0,54 0,26 0,19 0,52 0,24 Electrodos en línea recta 0,82 0,90 0,90 0,80 0,86 0,92 0,77 0,83 0,89 0.74 0,81 0,86 0,71 0,77 0,83 0,62 0,75 0,75 0,50 0,70 0,64 0,42 0,68 0,56 0,31 0,65 0,46

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3 NV 0,88, 0,85 0,80 0,78 0,76 0,71 0,68 0,66 0,64 0,62

NH 0,75 0,70 0,64 0,60 0,56 0,45 0,41 0,37 0,35 0,35

0,95 0,91 0,88 0,87 0,83 0,81 0,78 0,77 0,75

0,95 0,95 0,92 0,90 0,88 0,82 0,74 0,68 0,58

26

Otro método con el que se obtienen resultados similares es el planteado por la British Standard para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra formada por varios electrodos en paralelo (este método también es válido para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra cuando se usan las bases de hormigón armado de un edificación como electrodo siempre que su disposición sea rectangular).

⎛ 1+ a λ ⎞ R P = R⎜ ⎟ ⎝ n ⎠

1.8.9

Donde: λ - Factor dado en la Tabla 1.8.2.

a=

ρ 2πRS

Tabla 1.8.2.- Coeficiente λ para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra de electrodos verticales en paralelo o cable de enlace. n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20

En línea 1,00 1,66 2,15 3,54 2,87 3,15 3,39 3,61 3,81 -

En cuadrado vacío 2,71 4,51 5,48 6,14 6,63 7,03 7,36 7,65 7,90 8,32 8,67 8,96 9,22 9,44

Cuando se emplean varios electrodos verticales para un sistema de puesta a tierra los mismos deben ser interconectados por un elemento conductor (cable o planchuela). Al quedar todos los electrodos unidos al cable de enlace por un extremo todos estarán al mismo potencial, y como la corriente que circula por todos los electrodos y por el cable de enlace fluye hacia la tierra (potencial cero) podemos concluir que la resistencia a tierra del cable se encuentra conectada a la misma diferencia de potencial, o sea están en paralelo. Por lo antes expuesto se tiene que:

RT =

RP RC RP + RC

1.8.10

Donde: RP - Resistencia de puesta a tierra del grupo de electrodos. RC - Resistencia de puesta a tierra del cable de interconexión enterrado. RT - Resistencia total del sistema de puesta a tierra.

RC =

R n NH

1.8.11

Donde: R - Resistencia de un cable de enlace (Ω). RC - Resistencia de puesta a tierra de los cables de enlace (Ω). NH - Coeficiente de apantallamiento para el cable de enlace (Tabla 1.8.1). CURSO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA QUITO, ECUADOR, JULIO DEL 2010

27

Al igual que para los electrodos verticales la resistencia de puesta a tierra del cable de enlace está dada por: Los planteamientos efectuados hasta el momento se refieren a suelos homogéneos, sin embargo en la realidad las diferentes capas de terreno tienen diferentes resistividades, lo que hace que la resistencia de puesta a tierra con electrodos verticales (y con los horizontales también), dependa de la resistividad de las diferentes capas del suelo y del lugar donde se efectúe la puesta a tierra. En la práctica cuando se trabaja con estos terrenos se hace necesario calcular una resistencia equivalente para el punto de ubicación del electrodo a fin de poder efectuar los cálculos correspondientes. 1.9.- COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS VERTICALES ANTE IMPULSO. Los sistemas de puesta a tierra, además de conducir a tierra la corriente de falla, también deben conducir a tierra la corriente provocada por las descargas atmosféricas, la cual se comporta como una onda de choque y por lo tanto su comportamiento esta gobernado por la impedancia característica del sistema de puesta a tierra. Para un electrodo vertical los valores correspondientes a su capacitancia electrostática y a su inductancia están dados por:

εL

10 − 9 C= ⎛ 4L⎞ 9 2 ln⎜ ⎟ ⎝ d ⎠

1.9.1

( Farad )

⎛ 4 L ⎞ −7 L = 2 L µ ln⎜ ⎟ 10 ⎝ d ⎠

1.9.2

( Henry)

Donde: ε - Permitividad eléctrica del suelo. µ - Permeabilidad magnética del suelo. Considerando que la resistencia de puesta a tierra está dada por:

R=

4L ρ ln 2πL d

1.9.3

Las constantes de tiempo capacitivas e inductivas estarán dadas por:

τC = C R =

τL =

ρ ε 10 − 9 4π 9

1.9.4

L L2 = 4 π 10 − 7 ρ R

1.9.5

Valores extremos de estas constantes de tiempo son: ρ (Ω-m) 102 104

ε 1 1

µ 1 1

L (m) 6 6

d (cm) 2,5 2,5

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τL (s) 8x10-9 8x10-7

τL (s) 4,5x10-7 4,5x10-9

28

Como se puede apreciar los tiempos involucrados son muy pequeños comparados con los tiempos de frente de una onda de impulso provocada por un rayo, por lo que la misma podrá llegar a su valor máximo sin ninguna demora significativa y por tanto el electrodo se comporta prácticamente en estado estable. La impedancia característica de este tipo de electrodo está dada por:

Z=

L = 60 C

µ ⎛ 4L ⎞ ln ⎜ ⎟ ε ⎝ d ⎠

(Ω)

1.9.6

Así se tiene que para el segundo caso analizado anteriormente Z = 975 Ω mientras que para las mismas condiciones R = 1650 Ω. Como se aprecia la resistencia óhmica de puesta a tierra es mayor que la impedancia característica del electrodo, sin embargo, el conocimiento de este parámetro es muy importante en el diseño de las líneas aéreas de transmisión. En la práctica los valores de la impedancia característica o resistencia a impulso de una puesta a tierra con electrodos verticales se determinan sobre la base de la siguiente expresión:

R imp =

R CA CI n

1.9.7

Donde: Rimp - Resistencia de puesta a tierra para impulso. RCA - Resistencia medida a corriente alterna. CI - Coeficiente de impulso (Tabla 1.10.1).

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29

1.10.- ELECTRODOS HORIZONTALES. Cuando las capas superiores del suelo tienen alta resistividad y se sabe que con un electrodo vertical no se puede alcanzar la resistencia de puesta a tierra necesaria se recurre al uso de los electrodos horizontales, comúnmente cables o cintas metálicas. En el caso de las cintas metálicas su espesor usualmente no es mayor de 1/8 de su ancho. El principal factor que determina la resistencia de puesta a tierra de los electrodos horizontales es su longitud, tal como se muestra en la Fig. 1.11.1 para electrodos de cinta. El cálculo de la resistencia de puesta a tierra en estos casos es más difícil aún, más cuando en la práctica se emplean diferentes configuraciones de electrodos horizontales. Las expresiones matemáticas más comúnmente usadas para las configuraciones típicas son: Tabla 1.10.1.- Coeficientes de impulso para electrodos verticales. ρ (Ω-m)

Hasta 100

Hasta 300

Hasta 500

Hasta 1000

Hasta 1500

L (cm) 2 3 4 5 6 2 3 4, 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6

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CI 0,67 0,77 0,89 0,89 0,91 0,49 0,56 0,64 0,70 0,75 0,39 0,45 0,52 0,59 0,62 0,27 0,34 0,39 0,42 0,47 0,29 0,28 0,32 0,35 0,38

30

14

Ancho (mm) Profund. (m)

Resistencia en Ω

12

25

0,5

10

100

0,5

8

100

2,0

6 4 2 0 0

50

100

150

200

250

300

Longitud en metros Fig. 1.11.1.- Resistencia de puesta a tierra de electrodos de cinta horizontales. 1. Resistencia de puesta a tierra de un cable horizontal de diámetro d y longitud 2L enterrado a una profundidad h.

ρ ⎡ ⎛ 16 L2 R= ⎢ln ⎜ 4 π L ⎣⎢ ⎜⎝ d h

⎞ h h2 ⎤ ⎟−2+ − ⎥ ⎟ L 4 L2 ⎦⎥ ⎠

1.10.1

O bien:

R=

ρ 4πL

⎡ ⎢ln ⎢⎣

⎛ 16 L2 ⎜ ⎜ dh ⎝

⎞ L⎤ ⎟ + ln ⎥ ⎟ 2h ⎥⎦ ⎠

1.10.2

2. Resistencia de puesta a tierra de una cinta metálica horizontal de sección a x b, de longitud 2L enterrada a una profundidad h.

R=

ρ 4πL

⎡ ⎢ln ⎢⎣

⎛ 8 L2 ⎜ ⎜ ah ⎝

⎞ a2 − πa b h h2 ⎤ ⎟ + 1 − + − ⎥ ⎟ L 4 L2 ⎥⎦ 2 (a + b )2 ⎠

1.10.3

3. Resistencia de puesta a tierra de dos cables cruzados a 90º (estrella de cuatro puntas), de longitud 2L cada uno, de diámetro d, enterrado horizontalmente a una profundidad h.

R=

ρ 8πL

⎡ ⎢ln ⎢⎣

⎛ 4 L2 ⎜ ⎜ dh ⎝

⎞ h2 ⎤ h ⎟ + 2,9 − 2,14 2 , 6 − ⎥ ⎟ L L2 ⎥⎦ ⎠

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1.10.4

31

4. Resistencia de puesta a tierra de tres cables cruzados a 60º (estrella de seis puntos), de diámetro d, longitud 2L cada uno, enterrados horizontalmente a una profundidad h.

R=

ρ 12 π L

⎡ ⎢ln ⎢⎣

⎛ 4 L2 ⎜ ⎜ dh ⎝

⎞ h h2 ⎤ ⎟ + 6,85 − 6,26 7 + ⎥ ⎟ L L2 ⎥⎦ ⎠

1.10.5

5. Resistencia de puesta a tierra de un anillo de diámetro D constituido por un alambre de diámetro d, enterrado horizontalmente a una profundidad h.

⎡ ⎛ 16 D 2 ρ R= ⎢ln ⎜ 28 πD 2 ⎣⎢ ⎜⎝ d h

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠ ⎦⎥

1.10.6

6. Resistencia de puesta a tierra de un plato metálico redondo de diámetro D enterrado a una profundidad h.

ρ ρ ⎡ D2 ⎤ + R= ⎢1 − 0,036 2 ⎥ 4D 8πh ⎣ h ⎦

1.10.7

7. Resistencia de puesta a tierra de un plato metálico redondo de diámetro D, enterrado verticalmente con su centro a una profundidad h.

R=

ρ ρ + 4D 8πh

⎡ D2 ⎤ 1 0 , 018 − ⎢ ⎥ h2 ⎦ ⎣

1.10.8

Cuando se requiere bajar la resistencia de puesta a tierra de un sistema de tierra a partir de electrodos horizontales, se pasa de una configuración a otra más compleja o se sitúan electrodos en paralelo. Cuando se ponen dos electrodos en paralelo la disminución de la resistencia es importante para separaciones de hasta un 15 % de su longitud, pues para separaciones superiores el efecto es poco importante tal como se muestra en la Fig. 1.11.2 para dos electrodos de cinta de 20 m de longitud en paralelo. Un método práctico para determinar la resistencia de puesta a tierra de varios electrodos horizontales en paralelo es el siguiente: se determina la resistencia de un solo electrodo y después se divide por el coeficiente de apantallamiento dado en la Tabla 1.11.1 para las configuraciones que se señalan:

R conf =

R 1 n N eh

1.10.9

Donde: n - Número de electrodos en paralelo. R - Resistencia de un electrodo. Neh - Coeficiente de apantallamiento a 60 Hz. Tabla 1.11.1 Rcof - Resistencia de la configuración de electrodos.

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32

1.11.- COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS HORIZONTALES ANTE IMPULSO. El comportamiento de los electrodos horizontales ante impulso, al igual que el de los verticales, es gobernado por la impedancia característica del sistema de puesta a tierra de este tipo de electrodo. Los electrodos horizontales se caracterizan por poseer una longitud mayor que los verticales, por lo que su constante de tiempo inductiva crece considerablemente ya que la misma depende de su longitud al cuadrado y se puede hacer comparable con el tiempo de frente de las ondas de impulso provocadas por los rayos.

Fracción de la resistencia de un electrodo

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0

1

2

3

4

5

6

Distancia entre electrodos Fig. 1.11.2.- Efecto del espaciamiento en la resistencia de dos electrodos horizontales de cinta de 20 m en paralelo.

Tabla 1.11.1.- Coeficiente de apantallam iento a 60 Hz y a impulso para electrodos horizontales. Esquem a

Brazos

Longitud

N eh a 60 Hz

N eh a impulso

2

-

1

1

3

5,10 15,20 25,30

0,90 0,93 0,93

0,80 0,83 0,83

4

5,10 15,20 25,30

0,75 0,80 0,80

0,65 0,70 0,70

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33

A medida que la onda de impulso viaja por el conductor enterrado, el valor inicial de la impedancia característica se va reduciendo al valor de la resistencia de puesta a tierra de 60 Hz, en un tiempo que depende básicamente de la longitud del conductor y de la velocidad de traslación de la onda. Por ejemplo, si un conductor de 900 m. tiene una impedancia característica Z=150 Ω, cuando hallan transcurrido 6 µs a partir de la llegada de la onda, el valor de la impedancia se reduce al valor de la resistencia de puesta a tierra. Para el mismo sistema, pero con un conductor de 75 m. se mantiene el valor de Z=150 Ω, sin embargo la misma se reduce al valor de la resistencia de puesta a tierra en 1.5 µs, por lo que en este caso el efecto de la onda de impulso aplicada es menor. Sobre la base de lo antes expuesto es más aconsejable usar varios conductores cortos enterrados a uno solo de la misma longitud. En este caso en dependencia de la configuración, de la longitud de los electrodos y de la resistividad del terreno, se presentarán condiciones en las cuales la resistencia a impulso sea mayor que la resistencia a 60 Hz. Para determinar la resistencia a impulso de un sistema de puesta a tierra con electrodos horizontales se aplica la misma expresión que para los electrodos verticales conociendo el coeficiente de impulso (CI) para el tipo de electrodo de que se trate según la Tabla 1.12.1. 1.12.- MALLAS DE TIERRA. Los sistemas de puesta a tierra en las subestaciones revisten gran importancia, ya que ellos permiten la conexión a tierra del neutro del sistema, el paso a tierra para la descarga de los pararrayos y deben garantizar que los gradientes de tensión superficial no sean peligrosos para los operadores. El sistema más usado de puesta a tierra en las subestaciones consiste de conductores y barras enterradas a una profundidad adecuada debajo de la superficie del terreno y cuya configuración es la de una malla. Los principales parámetros de una malla son: • • • • • •

Longitud y calibre de los conductores. Longitud, diámetro y cantidad de los electrodos verticales. Profundidad de enterramiento de los electrodos verticales y horizontales. Espaciamiento entre las filas de los conductores de tierra. Área de la malla de tierra. Gradiente de potencial máximo permisible.

El gradiente de potencial que puede aparecer en una malla de tierra está dado por:

E malla = K m K i ρ

I L

1.12.1

Donde: I - Corriente a tierra,

K i = 0.65 + 0.172 n n - Número de conductores en la malla. L - Longitud total de los conductores de la malla.

Km

j= n ⎛ S2 ⎞ 1 ⎡ 2 j − 3 ⎤⎥ 1 ⎟ + ln ⎢ = ln ⎜⎜ 2 π ⎝ 16 h d ⎟⎠ π ⎢ 2 j + 2⎥ ⎣ j=3 ⎦

∑

Siendo: S - Espaciamiento entre los conductores. d - Diámetro de los conductores. h - Profundidad de los conductores.

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34

Tabla 1.12.1.- Coeficiente de impulso para electrodos horizontales. ρ

L

Ω-m

(m) 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25 5 10 15 20 25

Hasta 100

Hasta 300

Hasta 500

Hasta 1000

Hasta 1500

CI Número de electrodos 2 3-4 0,90 0,90 1,00 1,05 1,10 1,15 1,18 1,25 1.20 1,31 0,80 0,85 0,88 0,95 0,95 1,05 1,00 1,12 1,04 1,18 0,65 0,72 0,75 0,85 0,83 0,95 0,88 1,03 0,95 1,09 0,50 0,50 0,58 0,65 0,65 0,75 0,70 0,85 0,75 0,90 0,40 0,40 0,45 0,50 0,50 0,60 0,52 0,68 0,56 0,72

El gradiente de tensión máximo (tensión de contacto), está dado por:

E contacto =

165+ 0,25 ρ S

1.12.2

t

Donde: t - Tiempo de duración del contacto. ρS - Resistividad superficial de la tierra en Ω-m debajo del pie considerando cualquier tipo de tratamiento superficial que se haya dado. La longitud total de la malla se obtiene igualando ecuaciones 1.12.1 y la 7.13. 1.12.2 quedando como:

L=

Km Ki ρ I t 165 + 0,25 ρ S

1.12.3

Conocida la longitud total de los conductores de la malla, la longitud de los lados de la cuadrícula están dados por:

L lado =

2 L1 L 2 L − (L1 + L 2 ) CURSO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA QUITO, ECUADOR, JULIO DEL 2010

1.12.4

35

Donde: L - Longitud total de los conductores de la malla. L1 - Largo de la subestación. L2- Ancho de la subestación. La sección de los conductores de la malla se calcula en base a:

S=

I (con un máximo de 16 mm2 para conductores de cobre). 160

S=

I (con un mínimo de 95 mm2 para conductores de aluminio). 100

S=

I (con un mínimo de 50 mm2 para conductores de acero) 160

Para la conexión a tierra de los pararrayos la sección de los conductores no debe ser menor de:

S = 24 + 0.4 U (mm 2) para conductores de cobre. S = 40 + 0.6 U (mm 2) para conductores de aluminio. Siendo U la tensión nominal del pararrayo. En general se puede plantear que para tiempos de desconexión de hasta un segundo las densidades de corriente para los conductores de cobre deben ser de 160 A/mm2, pues para densidades de corriente superiores se pueden exceder los 200 ºC como temperatura final de los conductores que es la máxima recomendable. Como la capacidad en corriente depende del tiempo que está previsto que ésta pueda circular es necesario que no se excedan los 200ºC establecidos como temperatura final; para el cobre la corriente en función del tiempo de circulación para que se cumpla esta condición se muestra en la Tabla 1.13.1.

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Tabla de resumen de configuraciones y expresiones del cálculo de la resistencia de puesta a tierra.

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1.12.1- Sistema ideal de tierra y de masa. Las perturbaciones externas (de rayo, de maniobras de la red, o por descarga AT/ masa) afectan mínimamente al equipamiento del edificio, porque: ¾ hay muchos conductores de descenso del pararrayos y tomas de tierra múltiples en forma radial, ¾ las diferentes puestas a tierra eléctricas están conexionadas en estrella a una única toma de tierra.

¾ el conductor de puesta a tierra CP (sea el que sea el ECT) no afecta a las masas funcionales electrónicas, porque: •

no hay acoplamiento por impedancia común (la red de tierra - CP- está separada de la red de masas funcionales). En la práctica esto se hace en la distribución (a nivel de cada piso) pero no es obligatorio para la columna de montantes,

•

hay poco campo radiante si el CP está en el mismo cable que los conductores activos y si el cable está en una canaleta metálica con continuidad eléctrica y conectado al CP en el origen de la instalación.

•

Todos los cables «de señal» van sobre una plancha mallada (para reducir las interferencias) a una distancia de los circuitos eléctricos mayor 30 cm para evitar los efectos de acoplamiento magnético. Un conductor de masa de acompañamiento puede sustituir a la plancha mallada o completar su efecto para minimizar los efectos de bucles eventuales en alta frecuencia.

¾ Las conexiones de señal entre pisos circulan por una canaleta metálica que asegura la conexión «de las masas funcionales. ¾ La red de tierra -CP- y la red de masas funcionales podrán constituir una sola y única red si se dan dos condiciones esenciales: ausencia de perturbaciones AF de gran dv/dt y gran di/dt, y o que las corrientes de defecto en el CP o CPN sean pequeñas y sin armónicos.

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38

Ciertos especialistas indican que, aunque no se cumplan completamente estas condiciones, las redes de masas y tierra pueden estar íntimamente conectadas, a condición de que las planchas, las estructuras, los conductos de cables estén muy mallados (búsqueda de la equipotencialidad total por división de corrientes y minimización de bucles). Esta solución difícil de realizar a nivel de grandes obras (interconexión de los encofrados metálicos y de todos los herrajes) puede convenir para edificios muy especializados tales como centros informáticos y centrales telefónicas.

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1.13.- MEDICION DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Y DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO. La medición de la resistencia de puesta a tierra se basa en la relación que existe entre el potencial del electrodo bajo medición y la corriente que circula entre éste y la tierra que lo rodea. Para que esta relación sea constante para cada valor de corriente es necesario que la medición del potencial se realice utilizando un punto de referencia que tenga una densidad de corriente constante. En la Fig. 1.13.1 se muestra en forma esquemática la conducción de corriente en la tierra, como se aprecia a medida que la distancia de los electrodos aumenta, la densidad de corriente tiende a ser más uniforme, llegando a ser prácticamente uniforme a partir de una distancia dada.

˜

E1

E2

RX

R

Fig. 1. 13.1.- Representación esquemática de la circulación de la corriente entre dos electrodos de tierra.

Para el caso mostrado en la Fig. 1.13.2, si se mide el potencial del electrodo E1 situado en el punto A, tomando como referencia un electrodo auxiliar E3, se puede ver que si este último se coloca junto a E1 su potencial será cero, pero al alejarse E3 de E1 el potencial irá aumentando hasta alcanzar un valor que se mantendrá prácticamente constante. El valor de potencial constante se presenta normalmente a partir de una distancia de aproximadamente 20 m, distancia esta entre los electrodos para la cual la densidad de corriente es constante. Para el caso mostrado en la Fig. 1.13.2 se presenta una región BC en la cual el potencial será constante, y por lo tanto, las mediciones que se efectúen situando el electrodo auxiliar en la misma serán independientes de la posición de éste.

A

E1

V

A

˜

E2 B

E3 D

C

RX VAD

d ≥ 20 m.

VAB

Fig. 1.13.2.- Distribución de tensión entre dos electrodos por los que circula una corriente y donde RX =V/I. A

Un método de medición más sencillo, aunque impreciso, es el conocido como método de los dos electrodos que se muestra en la Fig. 1.13.3.

V

UC A

d ≥3 m

RX Fig. 1.13.3.--Mé todo de los dos electrodos. RX =

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V 2I

40

Otro método más exacto para medir la resistencia de la tierra es el conocido como método de los tres electrodos que se muestra en la Fig. 1.13.4.

~

A1

V1

RX =

R1 + R 2 − R 3 2

A2

RB

~

~

A3

RA Fig. 1.13.4.- Medición de la resistencia de puesta a tierra por el método de los tres electrodos ( d ≥ 20 m). El método más usado es el del megómetro que se muestra en la Fig. 1.13.5. El potenciómetro Rs se utiliza para conseguir que el circuito de potencial mantenga el valor de resistencia para el que fue ajustado.

I1

I2

RS E1

ER

G E3

RX

Fig. 1.13.5.- Medición de la resistencia de puesta a tierra usando un megohmetro

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Medición de la resistencia de la puesta a tierra empleando pinzas (Clamp-On Ground Resistance Testers). (Fuente www.cenytec.com). Este método de medida ofrece la ventaja de medir la resistencia sin desconectar la toma de tierra. Este tipo de medida también ofrece la ventaja de incluir las resistencias de enlace con la tierra y de conexión de toma de tierra total de un sistema. Normalmente un sistema de toma de tierra de línea de distribución común puede ser simulado como un circuito básico simple como se muestra en la Figura, o un circuito equivalente. Si un voltaje E es aplicado a cualquier punto de toma de tierra medido Ex a través de un transformador especial, la corriente 1 circula a través del circuito, estableciendo así la siguiente expresión.

donde, normalmente:

Así pues, se establece que E/1 = Ex. Si es detectada con E constante, la resistencia del punto de toma de tierra medida puede ser obtenida (refiérase otra vez a las Figuras anteriores). La corriente es alimentada al transformador especial a través de un amplificador de potencia desde un oscilador de tensión constante de 2,4kHz. Esta corriente es detectada por un transformador de corriente (CT) de detección, Sólo la señal de frecuencia 2.4 kHz es amplificada por un amplificador de filtro. Esto ocurre antes de la conversión A/D después de la rectificación síncrona. El valor es entonces mostrada en el la pantalla de cristal líquido (LCD). El amplificador de filtro es usado para cortar tanto la corriente de tierra a frecuencia comercial como el ruido de alta frecuencia. El voltaje es detectado por cables bobinados alrededor del transformador de corriente (CT) de inyección y es entonces ampliado, rectificado y comparado por un comparador de nivel. Sí la pinza no está cerrada adecuadamente, un anunciador de “pinza abierta” aparece en el LCD.

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Medición de la resistividad del terreno. Precauciones para evitar errores en las mediciones: • • • • • • • •

Las mediciones deben efectuarse en épocas apropiadas. Los electrodos de exploración deben tener un buen contacto con el terreno. Si el terreno es deslizable remover el material suelto hasta encontrar tierra firme. Si el suelo tiene capa gruesa de arena verter agua en el punto de clavado de los electrodos. Verificar el punto de contacto de la bornera de los instrumentos y la toma de los electrodos. Verificar los conductores gastados para evitar puntos de degradación del aislamiento. Verificar la presencia de corrientes inducidas. La resistencia de los electrodos auxiliares y conductores deben ser tal que no influyan en las mediciones.

¿Cuándo no deben realizarse mediciones?. • • • • • •

- Después de una lluvia. - Durante alta humedad ambiental. - Cuando hay conductores pelados y no se logran buen contacto en el conexionado. - Durante horas de tormenta. - Durante horas de humedad, en la que se escucha chisporroteo en los aisladores. - Durante la ejecución de trabajos de mantenimiento sobre la infraestructura en las proximidades.

Para la medición de la resistividad del terreno el método es el siguiente: pequeños electrodos de exploración son insertados en cuatro huecos de una profundidad de h metros y espaciados a lo largo de una línea recta a intervalos de a metros en forma tal que sólo su parte inferior haga contacto con la tierra. Se inyecta un corriente constante I entre los electrodos externos y se mide el potencial entre los electrodos internos con un instrumento de alta impedancia de entrada. Figura 1.13.5.1.- Medición de la resistencia de puesta a tierra usando un telurómetro y 4 electrodos. (Método Wenner)

G

A

V 2

1 Electrodos

a

3 a

4 a

Líneas Campo Eléctrico

Fig. 1.13.5.1.- Medición de la resistencia de puesta a tierra usando un telurómetro y 4 electrodos. (Método Wenner).

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La resistividad del terreno estará dada por:

ρ=

4πa R 1+ 2 a

a2 + 4h2 −a a2 + h2

1.13.1

Donde:

R=

V A

Para espaciamientos entre los electrodos considerablemente mayores que su longitud (20 veces o más), la expresión para determinar la resistividad del terreno se reduce a:

ρ = 2π a R

1.13.2

Como se ha indicado, las variaciones climáticas estacionales influyen sobre la resistividad de las capas superficiales del terreno. Es por ello que las mediciones de la resistividad deben efectuarse preferentemente en época de seca. La presencia en la zona de investigación de cuerpos metálicos (por ejemplo canalizaciones desnudas) o de filones de terreno de muy alta resistividad o de muy alta conductividad que acaben aflorando a la superficie pueden perturbar las mediciones de la resistividad, ya que tales obstáculos originan modificaciones en la trayectoria de las líneas de corriente en el suelo y en consecuencia del campo eléctrico en el punto de medición. Por lo antes expuesto es que es necesario efectuar varias mediciones en diversas zonas del futuro emplazamiento del sistema de puesta a tierra y con diferentes separaciones entre los electrodos. Esto último permite determinar si existen variaciones sensibles en la homogeneidad del suelo, en cuyo caso los resultados difieran bastante unos de los otros. Mientras más importantes sean las desviaciones, más lecturas deberán tomarse, especialmente si alguno de los valores es tan alto que haga intuir problemas graves de seguridad una vez construida la instalación de puesta a tierra. Para un mismo punto de investigación es preciso efectuar dos mediciones como mínimo según dos ejes perpendiculares entre sí que pasen por el punto, recomendándose, no obstante, proceder en otros lugares próximos, situados en la misma zona. Las medidas deben efectuarse en condiciones representativas de la situación de la toma de tierra en el futuro, y por ello, si está previsto modificaciones en las condiciones naturales del terreno, deben efectuarse las mediciones una vez terminadas esas variaciones (movimientos de tierra, mejoramiento del terreno, etc.). Otras posibles causas de perturbaciones durante las mediciones de la resistividad del terreno pueden tener relación con las características del equipo de medición utilizado, pues, generalmente, se emplea uno que funciona con corriente alterna. La corriente alterna permite, en efecto, eliminar los efectos parásitos de la polarización de los electrodos producidos por la corriente directa, y resulta insensible a las corrientes telúricas y vagabundas pero, a causa del efecto pelicular, penetra menos profundamente en el suelo que la corriente directa, efecto éste tanto más importante cuanto más elevada sea la frecuencia de la corriente y menor la resistividad del terreno. Por ejemplo, a 85 Hz se garantiza una penetración en el suelo de 550 m en terrenos de 1000 Ω-m y de 1700 m cuando la resistividad es de 100Ω-m.

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1.14.- CAIDA DE POTENCIAL EN LOS ELECTRODOS DE TIERRA. Para analizar la caída de potencial en los alrededores de un electrodo de tierra se parte por comodidad de un electrodo semiesférico en el cual se sabe que, para un terreno homogéneo, la densidad de corriente a una distancia cualquiera x del mismo está dada por:

J=

I 1 = S 2π x 2

1.14.1

Donde: S - Área de una semiesfera. J - Densidad de corriente a una distancia x del electrodo. El gradiente de potencial alrededor del mismo estará dado por:

dU dx

1.14.2

E=Jρ

1.14.3

ρI dU = dx 2 π x 2

1.14.4

E= Además se sabe que:

Por tanto:

Por lo tanto el potencial a una distancia x cualquiera del electrodo estará dado por: x

U=

ρI

∫ 2πx

2

dx =

x =r

ρ I ⎡1 1 ⎤ − 2 π ⎢⎣ r x ⎥⎦

En la Fig. 1.14.1 se muestra la variación del potencial con la distancia para este electrodo, la cual se corresponde con una variación hiperbólica en la cual para x = 2 r la caída de potencial corresponde a la mitad del potencial absoluto del electrodo, el cual se obtiene evaluando la expresión anterior para x = ∞ con lo que:

UX =

ρI 2π r

1.14.6

Bajo condiciones de circulación de corriente a tierra un electrodo de puesta a tierra cualquiera eleva su potencial respecto a la masa general de la tierra. Como se vio esta elevación está dada por el producto de la corriente por la resistencia de puesta a tierra y puede provocar trastornos de consideración en los sistemas de medición, control y comunicación.

1.14.5

UX 100%

I 50% r

2r

X

Fig. 1.14.1.-Distribución de la tensión con la distancia en un electrodo semiesférico.

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45

Este gradiente de potencial sobre la superficie de la tierra también puede afectar a las personas y animales, aún a considerable distancia del electrodo. En la Fig. 1.14.2 se muestra la distribución del gradiente de potencial sobre la superficie de la tierra para un electrodo vertical de 3 m y de 0.015 m de diámetro; en ella se puede apreciar el alto gradiente de potencial dentro de los primeros centímetros alrededor del electrodo, el cual depende del potencial del electrodo. Si este potencial es superior a la permisible, dicha zona debe de ser aislada. En la Fig. 1.14.2 se muestra la característica correspondiente al gradiente de potencial a lo largo de la línea formada por tres electrodos iguales al anterior separados 3 m entre sí. Inicialmente el gradiente de potencial, hasta alrededor de los 2 m, es ligeramente reducido, pero sin embargo para distancias superiores esta disposición da un gradiente de potencial superior. El efecto positivo que le corresponde a los tres electrodos es ofrecer una resistencia de puesta a tierra menor, por lo que para iguales corrientes a tierra su potencial será menor. En este caso los mayores gradientes ocurren a distancias de los electrodos iguales a su profundidad. Para electrodos verticales el gradiente de potencial superficial se puede calcular por:

∑ ln (U + n

i

E=

U i +1

)

i =1

(1 + λ β) ln ⎛⎜ 4 L ⎞⎟ ⎝ d ⎠

1.14.7

Donde:

Ui =

L ri

n - Número de electrodos. L - Longitud enterrada del electrodo. ri - Distancia del punto P de la superficie del terreno al electrodo i en metros (donde ri > d ). λ - Factor dado en la Tabla 1.8.2.

β=

L ⎛4 L⎞ S ln ⎜ ⎟ ⎝ d ⎠

.

d - Diámetro de los electrodos. S - Separación entre los electrodos.

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46

Para el caso de un sólo electrodo ( n = 1, λ = 1) ), E corresponde a la fracción de potencial del electrodo de la superficie equipotencial que tiene por radio "r" alrededor del electrodo. ç Para el caso de electrodos horizontales el gradiente de potencial se reduce considerablemente tal como se muestra en la Fig. 1.14.3.

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1.15.- TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO. Al presentarse una alta circulación de corriente por un electrodo de tierra, éste alcanza una tensión U determinada por la resistividad del terreno y por la magnitud de la corriente tal como se muestra en las ecuaciones 1.15.1 y en la 1.15.2 para un electrodo semiesférico y uno vertical respectivamente.

Ux =

ρI 2πx

2 2 ρ I ⎛⎜ L + x + L Ux = ln 2πL ⎜ x ⎝

1.15.1

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

1.15.2

La caída de tensión irá disminuyendo hiperbólicamente a medida que nos alejamos del electrodo tal como se muestra en la Fig. 1.14.1. Si el electrodo semiesférico de la Fig. 1.14.1 estuviera situado en un terreno homogéneo de 50 Ω-m de resistividad y por él circulara una corriente de 1000 A su resistencia de puesta a tierra sería de 26,6 Ω si su diámetro fuera de 0,3 m. Para estas condiciones una persona parada a 10 m de distancia, Fig. 1.15.3, con los pies separados un metro estaría sometido a una diferencia de potencial entre sus pies (tensión de paso) de 80,2 V, la cual es superior a los 50 V permisibles para corriente alterna para tiempos de desconexión de hasta 5 segundos. Para las mismas condiciones una persona parada a un metro de distancia del equipo, con los pies juntos y tocando al equipo estaría sometido a una tensión de 18666,6 V (tensión de contacto) lo que es extremadamente peligroso.

U

IF UC UO UP

X

Fig. 1.15.3.- Tensiones de paso y de contacto UO - Tensión de puesta a tierra. UC - Tensión de contacto. UP - Tensión de paso.

Debe señalarse que los valores de tensión de paso y de contacto son las que se obtendrían de la medición, con un instrumento de alta impedancia de entrada, en los puntos de referencia, sin embargo, a la persona no quedaría aplicado realmente esta tensión, sino la que resulte del divisor de tensión que se forma según se puede apreciar en la Fig. 1.15.4 para la tensión de paso y en la Fig. 1.15.5 para la tensión de contacto. En ambos casos se puede apreciar la importancia de la resistencia de contacto con el piso.

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ICC

ICC

R1

I CC

ICC

2 RX

IC C

RX / 2

ICC ⎡ R (2 R F + 2 RX ) ⎤ U P = I CC ⎢ 2 ⎥ ⎣ R2 + (2 RF + 2 RX ) ⎦

R2

⎡ ⎤ R1 (RF + R X / 2) U C = I CC ⎢ ⎥ ⎣ R1 + (RF + (RF + RX / 2))⎦

IK

2 RF RX RF

R1

RX IK

R2

RF

R1

R3

Fig. 1.15.4.- Esquema eléctrico para el cálculo de la tensión de paso.

IK

RF

RX /2

R2

R3

RF

R1

IK

R2

Fig. 1.15.5.- Esquema eléctrico para el cálculo de la tensión de contacto.

Para las mediciones de las tensiones de paso y de contacto, los electrodos para la simulación de los pies deberán tener una superficie de 200 cm2 y deberán ejercer sobre el suelo una fuerza mínima de 250 Newton cada uno. 1.16 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN LAS LINEAS AEREAS. En las líneas aéreas se pondrán a tierra: • Las estructuras con cables protectores para todas las tensiones. • Las crucetas metálicas en todas las estructuras de hormigón o de madera, y para todas las tensiones donde exista conductor de neutro corrido. • Los transformadores de fuerza o de medición, desconectivos u otros equipos eléctricos, excepto los desconectivos portafusibles. Los valores de la resistencia de los sistemas de puesta a tierra de las estructuras indicados en el punto a fijan teniendo en cuenta lo siguiente: en las líneas aéreas que operan a 34.5 kV y menores el valor máximo la resistencia a tierra es de 20 Ω, excepto en las estructuras con desconectivos de operación manual cuyo caso su valor no será superior a los 10 Ω. Para las líneas de 110-220 kV los valores de la resistencia puesta a tierra dependen de la resistividad del terreno: Valor de la resistividad en Ω-m hasta 100 de 101 a 500 de 501 a 1000 de 1001 a 5000

se de en de

Valor máximo admisible de la Resistencia en (Ω). 10 15 20 30

Se conectarán a tierra todos los conductores neutros cada 500 m a partir de la subestaciones y los valores de la resistencia de puesta a tierra no serán superiores a 20 Ω. La medición de la resistencia de puesta a tierra de las líneas aéreas con cables protectores se efectuará con esté desconectado y mediante cualquier método que excluya su efecto o influencia. En todos los casos se debe efectuar la medición para la condición peor, es decir en la época de seca, en caso contrario los valores medidos se deben corregir por el factor estacional.

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En las líneas aéreas de 34.5 kV y menores los valores de la resistencia de puesta a tierra se garantizarán sin tener en cuenta la conductividad del material del cimiento de los postes o elementos soterrados de las estructuras. Para tensiones superiores se pueden usar los cimientos de hormigón como sistema de puesta a tierra natural siempre que reúnan las condiciones constructivas siguientes: • El recubrimiento del acero de refuerzo de los cimientos no puede ser superior a 35 mm de espesor. • Se debe garantizar una adecuada continuidad eléctrica entre todos los elementos conductores mediante soldadura o con tornillos adecuados. El conductor que se utilice como bajante a tierra en las estructuras de las líneas aéreas debe ser de un material que no sufra una corrosión excesiva bajo las condiciones ambientales existentes. Comúnmente se usan conductores de cobre de sección transversal de como mínimo 12 mm y de hierro o acero de sección transversal de como mínimo 20 mm. Pueden utilizarse en calidad de bajante todos los elementos del encabillado y alambres longitudinales no tensados de los postes de hormigón armado cuando se garantice la adecuada continuidad eléctrica mediante soldadura o atornillado al sistema de puesta a tierra. En estos casos es importante comprobar la estabilidad térmica de dichos elementos ante las corrientes de corto circuito, la temperatura máxima admisible es de 60 ºC. El diámetro mínimo de los electrodos verticales es de 16 mm y se instalarán a una distancia no menor de 0.6 m del cimiento de la estructura o del poste cuando éste sea directamente enterrado. Los sistemas de puesta a tierra de las líneas aéreas se instalará a una profundidad no menor de 0.5 m y en terrenos labrados no debe ser menor de 1.0 m. En caso de terrenos rocosos los electrodos horizontales de puesta a tierra se deben colocar a una profundidad no menor de 0.1 m y deben ser embebidos o cubiertos de hormigón. La medición definitiva de los valores de la resistencia de puesta a tierra nunca se deben medir antes de los dos meses de instalado el sistema de puesta a tierra. 1.17.- PROTECCION DE LAS PUESTAS A TIERRA CONTRA LA CORROSION. A la hora de instalar una puesta a tierra se debe conocer con exactitud las características del terreno a fin de determinar su efecto sobre la instalación. No hay dos suelos exactamente iguales y los factores climáticos como la lluvia, la temperatura, el sol, etc. pueden causar alteraciones en sus propiedades. A continuación se muestra la relación entre la corrosión y la resistividad de diferentes terrenos.

La corrosión fundamental en el suelo es acuosa y el mecanismo es electroquímico. Debido a las características heterogéneas del un suelo puede encontrarse que sobre un mismo metal pueden actuar distintos elementos de ese suelo, los que pueden dar lugar a zonas de potenciales eléctricos diferentes, lo que conduce a la formación de zonas anódicas y catódicas sobre el metal con el consiguiente paso de corriente a través del suelo y del metal.

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La variación de la estructura del suelo, las diferencias en contenido de oxígeno, la humedad, el contenido de sales, materias orgánicas, pH, presencia de corrientes parásitas, son factores que influyen en la corrosividad del mismo, así se puede dar el caso de que una toma de tierra pueda ser destruida en el lapso de un año y otras no sufren prácticamente nada. La resistividad del suelo puede variar ampliamente, aunque este índice de por sí no es determinante, en general se puede decir que terrenos con valores por debajo de 10,000 Ω-cm son corrosivos y por encima de los 15,000 Ω-cm no lo son. La composición química es fundamental ya que un suelo rico en cloruros, materias orgánicas, etc. es altamente corrosivo. Un suelo con pH bajo, 4.0 o menos, puede considerarse corrosivo para casi todos los metales; un pH por encima de 7.0 lo hace menos corrosivo, aunque estos valores de por sí tampoco son determinantes. La estructura física debe conocerse ya que suelos arenosos y sueltos, si no contienen sales, son menos corrosivos que los compactos que conservan la humedad y en los cuales se puede presentar descomposición de las materias orgánicas y con ello la biocorrosión. La cercanía a focos de contaminación puede influir considerablemente por el efecto corrosivo de las sales, ácidos, etc. que se filtran a través del terreno. Especial cuidado hay que tener con los derrames ácidos que se pueden presentar en las plantas y subestaciones. En todos los casos el efecto de la corrosión en las partes soterradas es el de aumentar la resistencia de puesta a tierra de la instalación, la que puede alcanzar valores tales que hagan inoperante la instalación. Debido a esto es necesario el empleo, para las puestas a tierra, de materiales lo más resistentes posibles a la corrosión y/o el empleo de métodos especiales anticorrosivos. Generalmente con el cobre se obtienen buenos sistemas de puesta a tierra dadas sus características anticorrosivas, sin embargo tiene la desventaja de ser un material caro y deficitario. El latón bajo ciertas circunstancias puede ser utilizado y por último el hierro, que a pesar de ser muy afectado por la corrosión, puede ser empleado satisfactoriamente con una protección adecuada. Para la protección adecuada, y cuando se justifique económicamente, de los elementos soterrados de las puestas a tierra es necesario recurrir a la protección catódica, pues los demás métodos anticorrosivos no son aplicables pues conllevan un aumento considerable de la resistencia de puesta a tierra. La protección catódica puede ser por ánodo de sacrificio o por corriente impuesta. Otro aspecto a considerar es el potencial Red-ox que presentan los diferentes metales que conforman elementos involucrados en un sistema de puesta a tierra. La diferencia de potencial entre ellos puede influir negativamente en la reducción de la vida útil de los electrodos y conductores de enlace por corrosión. Para minimizar estos efectos se emplea también la protección catódica. En la siguiente tabla se muestra cuando es recomendable realizar este tipo de protección en función del potencial Red-ox y la corrosión.

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Tal como se muestra en la Fig. 1.17.1, este tipo de protección consiste en conectar a la estructura que se desea proteger barras de un metal más activo que el que conforma dicha estructura con lo cual se crea una pila electroquímica donde el metal más activo, que es denominado comúnmente metal de sacrificio, funciona como un ánodo, disolviéndose, y la estructura como cátodo, ocurriendo esencialmente sobre ella sólo el proceso de reducción del medio oxidante. En el circuito de la Fig. 1.17.1 se produce un flujo de electrones que van por el conductor metálico, del ánodo de sacrificio, con potencial más negativo, hacia la estructura de potencial más positivo, cerrándose el circuito a través del electrolito (suelo en este caso) mediante el movimiento de aniones y de cationes. De esta forma la estructura se polariza catódicamente, o sea, hacia valores más negativos de potencial. Es necesario que la polarización sea lo suficientemente fuerte para que el metal adquiera un potencial más negativo que el de protección. Para la protección de instalaciones de acero, los ánodos utilizados son de magnesio, aluminio y cinc o de aleaciones de los mismos ya que estos metales son más activos que el acero en la mayoría de los electrolitos. Para la protección del cobre y sus aleaciones, además de los metales señalados, puede usarse acero de bajo contenido de carbono. Como se muestra en la Fig. 1.17.2, la protección catódica por corriente impuesta consiste en suministrar la corriente de polarización necesaria mediante una fuente externa de energía eléctrica de corriente directa, obtenida por lo general por rectificación de corriente alterna. Con este método se logra una confiabilidad mayor de la protección anticorrosiva ya que en todo momento puede controlarse la intensidad de la corriente que circula y por tanto el potencial de la estructura, no como ocurre con el ánodo de sacrificio, el que una vez instalado actúa espontáneamente y por lo tanto fuera de control, pudiendo, por diversas causas, llegar a convertirse la protección en insuficiente. Su inconveniente fundamental es que consume energía continuamente y su protección puede ser insuficiente si se presentan frecuentes y largas interrupciones del servicio eléctrico.

e-

e-

eAnodo

Anodo

A-

AK+

Lecho anódico

K+

Lecho anódico

Malla de tierra

Malla de tierra Fig. 1.17.1.-Protección catódica por ánodo de sacrificio.

Fig. 1.17.2.-Protección catódica por corriente impuesta.

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1.18.- El mantenimiento de los Sistemas de Puesta Tierra. Uno de los principales problemas de los sistemas de puesta a tierra, es el incremento de resistencia debido a las defectuosas uniones que se dan entre el conductor y las varillas, y entre conductores, es así que el incremento de la resistencia por estas uniones se incrementa en sólo pocos meses ( 5 ó 6), en un 60% o más debido a las sulfataciones que se produce por el paso de corriente a través de estas uniones. La actividad de mantenimiento de los Sistemas de Puesta a Tierra debe realizarse de acuerdo a lo normado en las directivas y/o Reglamentos de Inspección de los Sistemas Eléctricos que existen en los diferentes países. No obstante lo anterior, la resistencia de un Sistema de Puesta Tierra debe ser medida cuando ocurre algún evento en el cual esta participa, nos referimos a un cortocircuito que derive a este Sistema; una descarga atmosférica que se disipe en este sistema, etc., Es recomendable, no obstante, verificar la resistencia del sistema y los componentes visibles cada dos años como máximo. Acciones posibles a ejecutar en el mantenimiento preventivo: • • • • •

Se usa una mezcla de bentonita con sal industrial en cada pozo para asegurar que la resistividad del terreno cumpla con los límites máximos permitidos por norma. Se cambian los conectores a todos los pozos de puesta a tierra que presenten corrosión o daños. Se remueve la sulfatación de los electrodos usando lija metálica para asegurar el buen contacto de estos con el cable y con los conectores. Se remueve la sulfatación de las terminales de los cables usando el cepillo metálico para asegurar el buen contacto de estos con el electrodo y con el conector. Se vuelven a medir los valores de los pozos de puesta a tierra para comprobar que los valores de sus resistencias estén en el rango exigido por la norma (ver cuadro 1 en la siguiente sección).

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2.- LAS SOBRETENSIONES EN LOS SISTEMAS DE BAJA TENSIÓN. 2.1 Introducción. Los sistemas de mediana y baja tensión se afectan por las perturbaciones electromagnéticas. El que una condición de perturbación constituya un suceso depende de varios factores. Los más importantes son: •

El nivel de la perturbación (magnitud y forma de onda, rango de frecuencia, contenido de energía, máxima tasa de variación, frecuencia de ocurrencia y duración).

•

La susceptibilidad del receptor (respuesta de frecuencias, condiciones de diseño, presencia de elementos de protección y materiales).

•

Las condiciones en las cuales se efectúe el acoplamiento (por conducción o por radiación, característica del medio de propagación y atenuación).

Este tema va dirigido a reseñar las principales sobretensiones que tienen lugar en los sistemas de baja tensión, así como su efecto en los equipos y el nivel de aislamiento de los mismos. Dentro de las sobretensiones se mencionan las sobretensiones debido a descargas eléctricas atmosféricas (DEA). Por otra parte aunque en la clasificación de sobretensiones de las normas no aparece la sobretensión electrostática, la descarga electrostática es un peligro real para determinados dispositivos utilizados en baja tensión y por ello se incluye un análisis de las mismas. 2.2 Clasificación de sobretensiones en sistemas de baja tensión. Todo cambio lento o rápido en las condiciones de operación de un sistema eléctrico origina una redistribución de energía que debe satisfacer las nuevas condiciones del sistema, la redistribución de energía lleva asociada, cambios súbitos en las señales de tensión durante tiempos muy cortos. Una sobretensión fase-tierra se define como aquel valor de tensión que supera el valor:

(2.1) Los transitorios son fenómenos de cambio del estado estable de los parámetros eléctricos (corriente o tensión) de la onda de trabajo en un tiempo de duración muy corto (del orden de µs) a valores muy altos. Las sobretensiones se clasifican en: •

Sobretensiones temporales.

•

Sobretensiones transitorias. - Sobretensiones debido a operaciones de conmutación. - Sobretensiones por descargas eléctricas atmosféricas (DEA). - Sobretensiones debido a la interacción entre diferentes sistemas.

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El término temporal se utiliza en el análisis de variación de un sistema eléctrico para indicar desviaciones no deseadas de las señales de tensión y corriente que ocurren generalmente a la frecuencia industrial. El término transitorio se utiliza en el análisis de variación de un sistema eléctrico para indicar un evento que es indeseable y de naturaleza no permanente. A él se asocian, también cambios de estado estable de los parámetros eléctricos de tensión y corriente. Los transitorios electromagnéticos pueden clasificarse en dos categorías: transitorios oscilatorios y transitorios de impulso. Los transitorios oscilatorios, donde generalmente se ubican las sobretensiones asociadas a operaciones de maniobras (en ocasiones DEA), resultan en un cambio súbito de frecuencia no industrial, de las condiciones de estado estable de tensión y puede que también de corriente, o ambos, que incluye tantos valores positivos como negativos. Están descritos por el espectro de frecuencia, su duración y su magnitud. Los rangos de frecuencia se subdividen en altas, medias y bajas frecuencia. Los transitorios oscilatorios de alta frecuencia (500 kHz – 5 MHz) y duración de microsegundos son generalmente la respuesta de un sistema a un impulso de rayo. Los transitorios de media frecuencia (5 kHz – 500 kHz) y duración de milisegundos están generalmente asociado a maniobras de la red, aunque pueden deberse también a un impulso de rayo. Los transitorios oscilatorios de baja frecuencia (menos de 5 kHz) se deben generalmente a maniobras de la red, frecuentemente energización de bancos de capacitores. El término transitorio de impulso, donde generalmente se ubican las sobretensiones por descarga eléctrica atmosférica, se utiliza para caracterizar un cambio súbito, de frecuencia no industrial, de la condición estado estacionario de tensión y corriente, o ambas, que es generalmente unidireccional en polaridad, positivo o negativo. Los transitorios de impulso se caracterizan normalmente por su tiempo de subida o frente y de cola. Su origen más común es la descarga eléctrica atmosférica, fenómeno, generalmente, de alta frecuencia. 2.3 Las sobretensiones en los sistemas de baja tensión. 2.3.1 Sobretensiones Temporales. Una amplia cantidad de fenómenos, a veces resultantes de operaciones del sistema, o por condiciones accidentales (fallas), pueden producir sobretensiones que ocurren a la frecuencia del sistema. Los equipos generalmente se diseñan para soportar el efecto de altas sobretensiones temporales, certificada según un ensayo de tensión de corta duración. Las sobretensiones temporales se definen como sobretensiones de corriente alterna de una significativa duración y amplitud que pueden aparecer, generalmente, son originadas por fallas a tierra, resonancia, ferro resonancia o pérdida súbita de carga. 2.3.1.1 Sobretensiones temporales debido a fallas entre el sistema de media tensión y tierra. Cuando ocurre una falla entre un sistema de media tensión y tierra, en dependencia de sus configuraciones respectivas de puesta a tierra, la corriente de falla en media tensión fluye en uno o más electrodos de tierra y genera sobretensiones debido a acoplamiento por tierra en los sistemas de baja tensión.

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Los parámetros fundamentales que influyen en el valor y la duración de las sobretensiones temporales debido a fallas entre media tensión y tierra son los siguientes: A).Configuración de los electrodos de tierra de las redes de media y baja tensión: • • •

Uno dos o tres electrodos de tierra distintos. Electrodos de puesta a tierra comunes o electrodos de puesta a tierra separados para redes de media y baja tensión. Los valores y el número de electrodos de tierra del sistema de distribución de baja tensión.

B).Tipo de puesta a tierra del sistema de media tensión: • • • •

Aislado. Sólidamente puesto a tierra. Puesto a tierra a través de impedancias. Sistema resonante.

C).Método utilizado para limpiar la falla en media tensión: • • •

Aislado, resonante o por impedancias: Tiempos largos. Sólidamente puesto a tierra: Tiempo muy corto. Puesto a tierra a través de baja impedancia: Tiempo corto.

2.3.1.2 Ocurrencia de sobretensiones temporales debido a fallas a tierra en instalaciones eléctricas de media tensión. •

En las subestaciones de media tensión y baja tensión: en el aislamiento del equipamiento de baja tensión entre las partes vivas y las partes conductoras expuestas si no hay puesta a tierra común de los sistemas de media y baja tensión.

•

En las instalaciones eléctricas de baja tensión: en el aislamiento del equipamiento de baja tensión entre las partes vivas y las partes conductora expuestas si el neutro no está conectado al electrodo local de tierra.

•

Entre la tierra local de la instalación de baja tensión y una tierra remota, esforzando el equipamiento usado fuera del edificio o en la entrada de servicio el cual puede que no esté conectado al terminar de puesta tierra principal.

2.3.1.3 Ocurrencia de sobretensiones temporales debido a fallas a tierra en instalaciones eléctricas de baja tensión. •

En sistemas TN, la falla a tierra puede producir sobretensiones comparables a aquellas que ocurren en circuito donde la falla es entre fase y neutro.

•

En sistemas TT, la corriente de falla puede circular entre el conductor de protección y dos electrodos de tierra.

Las consecuencias de las fallas a tierra, en particular las sobretensiones que afectan a los supresores de sobretensión, están determinadas por la localización de la falla y en un sistema TT por la impedancia a tierra de los electrodos.

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Si el supresor de sobretensión se selecciona con una máxima tensión de operación continua (MCOV de las siglas en ingles Maximun Continuos Operate Voltage, Uc) menor que el valor producto de la sobretensión por falla a tierra, la corriente que circula y el coeficiente negativo de temperatura que tienen los materiales de los que están construidos, los lleva a ruptura térmica. Los dispositivos de protección contra sobretensión al nivel actual de la tecnología, como los que se aplican para protección contra descarga atmosférica y por conmutación, no tienen la capacidad requerida para limitar las sobretensiones temporales. Por tanto cuando se seleccione la tensión máxima de operación para los supresores de sobretensión en una instalación específica se debe tomar en consideración la probabilidad de ocurrencia de sobretensiones temporales en el sitio y su magnitud. 2.3.1.4 Sobretensiones debido a operaciones de conmutación. Generalmente cualquier operación de conmutación, falla, interrupción, entre otras en una instalación eléctrica es seguida por un fenómeno momentáneo en el cual ocurre una sobretensión. El cambio repentino en el sistema puede iniciar oscilaciones amortiguadas de relativa alta frecuencia (determinada por la frecuencia de resonancia de la red), hasta que el sistema se estabilice de nuevo al estado estable. La magnitud de las sobretensiones por conmutación dependen de los parámetros del circuito, del tipo de circuito y del tipo de operación de conmutación (cerrar, abrir, reencendido). En la mayoría de los casos el máximo de la sobretensión de conmutación está en el orden de dos veces la amplitud de la tensión del sistema, pero valores mayores pueden ocurrir, especialmente cuando se conmutan cargas inductivas (motores, transformadores) o cargas capacitivas. También la interrupción de corrientes de cortocircuito puede causar altas sobretensiones. Realizando detalladas mediciones en instalaciones eléctricas y su respectiva evaluación estadística puede ser estimada la magnitud de la sobretensión debido a operaciones de conmutación. A través de estas mediciones puede ser evaluada la frecuencia de la ocurrencia de sobretensiones transitorias que dependan de ciertos periodos de tiempo durante un año, de ciertos días de la semana o determinados momentos del día. Si existen características tiempo-dependientes como estas, la ocurrencia de los transitorios puede ser inferida de eventos que ocurren dentro de la instalación eléctrica, ya sea por operaciones de conmutación programada o por operar equipos eléctricos que puedan crear interferencia debido a su diseño específico. Estas consideraciones hacen necesaria examinar la probabilidad de que un supresor de sobretensiones diseñado con la intención de mitigar las sobretensiones pueda ofrecer una efectiva limitación de sobretensión. Después se debe determinar que el mismo tenga la capacidad necesaria de acuerdo a los niveles y duración de las corrientes que estén involucradas en las sobretensiones probables en esas localizaciones. Se denominan bajo este término, entre otros, los fenómenos provocados por la puesta en marcha o el apagado de equipos eléctricos. Resumiendo las sobretensiones debido a operaciones de conmutación pueden ocurrir debido a: • • • • • • • •

Puesta en marcha de motores / transformadores. Cebadores para el alumbrado público. Conmutación de redes de alimentación. Energización de un circuito inductivo. Funcionamiento de un fusible o de un disyuntor. Interrupción de una corriente de corto circuito. Caída de líneas. Falso contacto o intermitente.

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Estos fenómenos van a generar sobretensiones transitorias de varios kV con tiempos de subida del orden del microsegundos que van a afectar a los equipos de las redes sobre los cuales el sistema perturbador está conectado. 2.3.1.5 Sobretensiones debido a la interacción entre diferentes sistemas. Otro tipo de sobretensiones son las que ocurren por interacciones entre dos sistemas diferentes, como la de un sistema de energía de corriente alterna y un sistema de comunicaciones y transmisión de datos, durante el flujo de corrientes asociadas a sobretensiones en uno de los dos. Las interacciones de sistemas ocurren en la interfase de dos sistemas diferentes, como la de un sistema de energía que esté proveyendo a un equipo la electricidad que necesita, y un sistema de comunicaciones que este proveyendo al equipo las señales que va a procesar. Este equipo multipuesto puede estar expuesto a sobretensiones que ocurren no solo en el modo diferencial de cada uno de los puertos sino también entre los terminales de referencia de los dos puertos. Un ejemplo típico donde ocurre conexión a un sistema de energía y a un sistema de comunicación es la computadora personal (PC) con conexión de MODEM o una máquina de fax. Aunque cada uno de los sistemas de energía y de comunicación puede incluir protección contra sobretensiones, la corriente que fluye en el sistema bajo sobretensión causa un cambio en el potencial de su punto de referencia mientras que el punto de referencia que no está bajo sobretensión permanece sin cambio. La diferencia de potencial entre los dos puntos de referencia aparece a través de los dos puertos de la PC/MODEM. Según la naturaleza de la PC/MODEM y su inmunidad (puede estar constituida por piezas de distintos fabricantes), esta diferencia de potencial puede tener consecuencias dañinas o molestas. El caso más crítico es cuando la entrada de alimentación (línea de c.a) está en el extremo opuesto al puerto de entrada de la línea de comunicación (MODEM, fax), ya que es cuando pueden ocurrir las mayores sobretensiones (ver figura 2.3.1). Con el fin de eliminar este tipo de sobretensión se fabrican dispositivos que brindan doble protección (alimentación y comunicación), ya que al disminuir el espacio de aire entre protectores, se elimina la sobretensión.

Figura 2.3.1 Conexión al sistema de potencia y de comunicaciones de una PC MODEM (peor caso). 2.3.1.6 Sobretensiones electrostáticas. Otro tipo de sobretensión que no aparece en la clasificación de la norma IEC [6] pero se tiene en cuenta en estudios integrales de protección particularmente cuando existen componentes electrónicas son las sobretensiones electrostáticas.

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Las sobretensiones electrostáticas son los impulsos de corriente que recorren un objeto cualquiera cuando este objeto conectado a tierra entra en contacto (directo o indirecto) con otro cuyo potencial con respecto a la tierra del anterior es elevado. Las cargas electrostáticas proceden del intercambio de electrones entre los materiales o entre el cuerpo humano y los materiales. La combinación de materiales sintéticos como plásticos, tela, entre otros y un ambiente seco favorece la ocurrencia de una sobretensión electrostática. El caminar sobre suelo de moqueta (intercambio de electrones entre el cuerpo y el tejido) o el frotamiento de la ropa con la silla al estar sentado son fuentes de este fenómeno. Las perturbaciones que generan los distintos tipos de descargas electrostáticas son perturbaciones de tipo alta frecuencia que se producen por conducción, pero se acoplan fácilmente a otros dispositivos por radiación. Los elementos significativos de estas perturbaciones se observan en la figura 2.3.2.

Figura 2.3.2 Características de las descargas electrostáticas normalizadas (tipo IEC 1000-4-2). 2.4 Efecto de las sobretensiones. Nivel de Aislamiento. Las sobretensiones de cualquier tipo, en sentido general, producen efectos similares, ellos son: anomalías, degradación y daño. En específico sobre los equipos electrónicos, producen: • • • • • • •

Destrucción de uniones semiconductoras Destrucción de las metalizaciones de los componentes Destrucción de calles de circuitos impresos y de contactos Borrado de memorias Funcionamiento erróneo o bloqueo de programas informáticos Errores de transmisión de datos Envejecimiento prematuro de componentes

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En la figura 2.4.1 se observan ejemplos de circuitos y componentes dañados por sobretensiones.

Figura 2.4.1 Daño visible causado por sobretensiones. Una anomalía se produce cuando los niveles lógicos o análogos de los sistemas son perturbados causando pérdidas de datos, daños en datos y software, bloqueos de equipos y computadoras entre otros. Generalmente como no se produce daños físicos estos eventos no son reportados aunque son consecuencia de las sobretensiones. Cuando los componentes, circuitos electrónicos y/o aislamiento se someten a niveles bajos de sobretensiones pero en períodos largos de tiempo ocurre la degradación de sus características. Este es un efecto más importante que las anomalías porque conduce, en el tiempo, definitivamente al daño. Las sobretensiones pueden, en su efecto más agudo, causar daños a las componentes (tarjetas o circuitos electrónicos) o la descarga superficial total del aislamiento que provoca la circulación de la corriente de frecuencia industrial capaz de destruir cualquier aislamiento. El daño por sobretensiones, ocurren entonces mediante dos mecanismos físicos de trabajo: el sobrecalentamiento y la falla de aislamiento. 2

La actividad transitoria de la sobretensión hace que fluya corriente, produciendo calor por efecto Joule (I xR). Si el calor es suficiente, por ejemplo, para fundir el alambre, y vaporizarlo, destruye el componente. La falla por calentamiento, es común en fusibles, circuitos impresos, uniones de semiconductores, y aun en bobinas de equipos eléctricos. La falla por aislamiento que va desde la descarga superficial total del mismo hasta el establecimiento del arco de potencia ocurre producto de la diferencia de tensión en el aislamiento que provoca la circulación de una corriente asociada a la sobretensión. Esta forma de falla es común en uniones semiconductoras, capacidades, transformadores y enrollados de motores. Una sobretensión que cause daño en una pieza de un equipo puede no afectar una pieza similar del mismo equipo. No hay un nivel absoluto de inmunidad que se pueda aplicar a todas las piezas de un equipo electrónico, depende de la susceptibilidad de los diferentes componentes y circuitos. Los niveles de susceptibilidad varían con los diferentes equipos y fabricantes. Los mecanismos de daño físico (sobrecalentamiento y falla de aislamiento) dependen del tamaño de los componentes y aparatos. El desarrollo electrónico ha hecho que cada componente sea más pequeño y menos robusta que su predecesor.

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La IEEE 1100 [7] pocos aparatos de estado sólido pueden superar más de dos veces su tensión nominal. Esta regla se utiliza, generalmente, cuando la susceptibilidad del equipo no es conocida. La tensión de soporte o el nivel de aislamiento, es la tensión que puede soportar un equipo sin ser destruido. Se caracteriza por su fortaleza ante ondas tipo impulso. Está dado, a los niveles de tensión mostrados en la figura 2.4.2, por el valor pico de una onda típica de 1.2/50 microsegundos que puede soportar sin daño de su aislamiento tanto interno como externo.

Figura 2.4.2 Ejemplo a modo de orientación de nivel de aislamiento. 2.5 Frecuencia y duración de las sobretensiones. Otros aspectos importantes de las sobretensiones son la frecuencia de las oscilaciones y su duración por el efecto que estos parámetros causan en el equipamiento. La frecuencia de las oscilaciones son debidas a: • • •

La frecuencia de la fuente o fuentes que alimentan la red. Las frecuencias naturales que pueden originarse entre los distintos equipos. La longitud de las líneas cables o conductos por los cuales el modelo matemático incluya una representación con parámetros distribuidos.

En este último caso, la frecuencia de oscilación viene dada por la expresión:

f=

1 4τ

(2.5.1)

Donde:

τ: Tiempo de propagación en la línea, cable o conductor. La duración es debida fundamentalmente a dos factores: • •

La causa. El amortiguamiento que introducen los equipos de la red.

Si la sobretensión es unidireccional no oscilatoria, como la originada por un rayo, el tiempo a la cresta depende fundamentalmente del tiempo a la cresta de la descarga atmosférica, y es del orden de los microsegundos.

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La Tabla 2.5.1 muestra un resumen de las principales causas de procesos transitorios en sistemas eléctricos de potencia y la gama de frecuencias asociadas a cada una de ellas.

Causa y frecuencia

TABLA 2.5.1 Conexión de transformadores Ferroresonancia Pérdida brusca de carga Eliminación de falla Aparición de falla Conexión y reenganche de líneas

0.1 Hz – 1 kHz 0.1 Hz – 1 kHz 0.1 Hz – 3 kHz 50/60 Hz – 3 kHz 50/60 Hz – 20 kHz 50/60 Hz – 20 kHz

Tensión transitoria de restablecimiento • Falla terminal • Falla kilométrica

50/60 Hz – 20 kHz 50/60 Hz – 100 kHz

Reencendido múltiples de interruptores 10 kHz – 1 MHz Ondas por rayos 10 kHz – 3 MHz Falla en estaciones receptoras 10 kHz – 3 MHz Maniobra en seccionadores y fallas en estaciones de SF6 100 kHz – 50 MHz

La Tabla 2.5.2 muestra la clasificación de gama de frecuencias propuesta por el Grupo de Trabajo 33-02 de la CIGRE. Cada Rango corresponde a un tipo particular de transitorio. Hay cuatro grupos y existe solapamiento entre ellos.

TABLA 2.5.2 Grupo I II III IV

Frecuencia 0.1 Hz –3 kHz 50 Hz –20 kHz 10 Hz –3 MHz 100 Hz –50 MHz

Rango de frecuencias

Designación Baja frecuencia Ondas de frente lento Ondas de frente rápido Ondas de frente muy rápido

Causa principal Sobretensiones temporales Sobretensiones por maniobra Sobretensiones por rayos Sobretensiones por reencendido

La Tabla 2.5.3 presenta la clasificación y formas de onda de acuerdo a la Norma IEC 71-1.

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Bibliografía. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

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