Capítulo 6 - Osinergmin Orienta

11/12/2014
Sistemas de
aterramiento
MSc. Ing. Leonidas Sayas Poma
[email protected]
Objetivos
•
Identificar los gradientes de
potencial anormal durante una falla
•
Calcular y medir la resistividad del
terreno.
•
Calcular la tensión de paso y de
toque
•
Dimensionar el sistema de puesta a
tierra en una línea de transmisión y
subestación.
•
Conocer técnicas de medición de
resistencias de puestas a tierra,
tensiones de paso y de toque.
[email protected]
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CONTENIDO
1. Introducción
2. Resistividad del terreno.
3. Calculo de puestas a tierra
4. Ejecución de sistemas de puesta a
tierra
5. Mediciones de parámetros asociados
[email protected]
DistriLuz
Bibliografía
• www.lem.com
• www.abb.com
• www.avointl.com
• www.cyme.com
• www.loresco.com/cgi-bin/calculator.cgi
• www.etap.com
•[email protected] ,CEL: 99009096
• IEEE Std 80-2000 Guide for safety in AC Substation Grounding.
•IEEE Std 81-1983 Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and
Earth Surface Potential of a Ground System.
•IEEE Std 142-1991 80-1986 Grounding of Industrial and Commercial Power
Systems. Green Book
•Sistemas de puestas a tierra para especialistas, Autor: Leonidas Sayas Poma
•Instalaciones de Puestas a Tierra para tecnicos calificados, Autor: Leonidas Sayas
Poma
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I Introducción
DistriLuz
1.
2.
3.
4.
Objetivos y finalidad de la puesta a tierra.
Limites de corriente en el cuerpo humano.
Duración de las corrientes accidentales
Aplicaciones
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DistriLuz
Definiciones básicas
Tierra
Conexión conductora, ya sea intencional
o accidental, por la cual un circuito
eléctrico o equipo está conectado al
suelo o algún cuerpo conductor de gran
extensión y que sirve en lugar del suelo.
Resistividad
Efectivamente
tierra
Resistividad superficial
puesto
a
Contacto permanente a tierra a través
de una conexión a tierra de impedancia
suficientemente baja y que tenga una
capacidad de conducción suficiente para
que las corrientes de falla a tierra que
pudiera ocurrir no ocacionen tensiones
peligrosas para las personas y animales
La resistividad de un material es el
reciproco de su conductividad y se
expresa en: -m, cm, -pulg
Es la resistividad de la primera capa
del terreno utilizado para la puesta a
tierra.
Resistividad aparente
Resistividad medida directamente o
mediante formula en un modelo
multiestrato de terreno.
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DistriLuz
Definiciones básicas
Puesta a tierra de protección
Puesta a tierra de servicio
Es la conexión directa a tierra de las partes
conductoras de los elementos de una
instalación no sometidos normalmente a
tensión eléctrica, pero que pudieran ser
puestos en tensión por averías o contactos
accidentales, a fin de proteger a las
personas contra contactos con tensiones
peligrosas.
Es la conexión que tiene por objeto unir
a tierra temporalmente parte de la
instalaciones que normalmente están en
tensión o permanentemente ciertos
puntos de los circuitos eléctricos d
servicio.
Estas tierras pueden ser:
· Directas: cuando no contienen
otra resistencia que la propia de
paso a tierra.
· Indirectas: cuando se realizan a
través de resistencias o impedancias
adicionales.
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DistriLuz
Definiciones básicas
Gradiente de potencial
Tensión de Contacto (Vc)
Es la derivada del potencial con
respecto a la distancia (dV/dx)
Es la diferencia de potencial entre la
elevación del potencial de tierra y el
potencial superficial en el punto en
donde una persona esta parada
mientras al mismo tiempo tiene una
mano en contacto con una estructura
metálica aterrizada.
Tensión de Paso (Vp)
Es
la
diferencia
de potencial
superficial que puede experimentar
una persona con los pies separados a
1 metro de distancia y sin hacer
contacto con algún objeto aterrizado.
Tensión de Transferencia
Es un caso especial del voltaje de
contacto en donde un voltaje es
transferido hacia el interior o la parte
de afuera de la subestación desde un
punto externo remoto.
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DistriLuz
Definiciones básicas
Tensión de Malla (Vm)
Es la máxima tensión de contacto
dentro de una malla de tierras.
Conductor de Puesta a
Tierra de los Equipos
Conductor utilizado para conectar las
partes metálicas no conductoras de
corriente eléctrica de los equipos,
canalizaciones y otras envolventes, al
conductor del sistema puesto a tierra,
al conductor del electrodo de puesta
a tierra o a ambos.
Resistencia Eléctrica del
Cuerpo Humano
Es la resistencia eléctrica medida
entre extremidades, esto es, entre
una mano y ambos pies, entre ambos
pies o entre ambas manos.
Sistema de Tierras
Comprende a todos los dispositivos
de tierra interconectados dentro de
un área específica.
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DistriLuz
•
Generalidades
Físicamente
Sistema
de
puesta a tierra (PAT) es un
conjunto de elementos que
permiten
un
contacto
eléctrico conductivo entre la
tierra y las instalaciones,
equipos, estructuras, etc.
La PAT es de gran importancia en el
comportamiento del SEP y en la
seguridad
de
las
personas,
especialmente durante anomalías.
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DistriLuz
Generalidades
•Durante las anomalías
que
puede
ser
corrientes de falla o
descargas atmosféricas,
el flujo de la corriente a
tierra da lugar a la
aparición de gradientes
de
potencial
(GP)
peligrosos,
ya
sea
dentro o fuera de la
infraestructura eléctrica
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DistriLuz
Generalidades
•De estos GP
dependen
la
tensión que se
puede obtener
entre
dos
puntos de la
superficie
del
terreno,
ejemplo
la
tensión
de
toque y de paso
o
los
potenciales
transferidos.
1.0m
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DistriLuz
Generalidades
Los GP podrían poner
en peligro la integridad
física de las personas
que se encuentren
próximas y provocar la
destrucción del material
eléctrico y electrónico
situado en su radio de
influencia.
Vp
1.0m
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DistriLuz
Generalidades
Incluso en el caso de
que en el lugar del
defecto existieran
elementos conductores
tales como:
conducciones
metálicas, cercados,
conductores
apantallados,
etc.
podrían
transferirse
tensiones peligrosas a
lugares muy alejados.
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DistriLuz
Generalidades
Los factores que intervienen en estas condiciones de peligro son:
1º La elevada magnitud de la corriente de falla en relación al área ocupada
por la PAT.
2º Resistencia de PAT insuficientemente baja.
3º Resistividad del suelo y distribución de las corrientes de paso a tierra
tales que permitan la aparición de gradientes de tensión importantes en
la superficie del terreno.
4º Presencia de un individuo en el lugar, instante y posición tales que esté
en contacto con puntos de diferente potencial.
5º Suficiente duración de la falla para causar daño a las personas.
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DistriLuz
Objetivos y finalidad de la
PAT
La infraestructura eléctrica deben tener un adecuado sistema de tierra al cual
se conectan todos los elementos de la instalación que requieran ser puestos a
tierra para:
a) Proveer un medio seguro para
proteger
al personal que se
encuentre en la proximidad del
sistema de tierras o de los equipos
conectados a tierra de los peligros de
una descarga eléctrica debida a
condiciones de falla o por descarga
atmosférica.
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DistriLuz
Objetivos y finalidad de la
PAT
b) Proporcionar un circuito de muy
baja impedancia para la circulación
de las corrientes a tierra, ya sean
debidas a una falla a tierra del
sistema, o a la propia operación de
algunos equipos.
c) Proveer un medio para disipar las
corrientes eléctricas indeseables a
tierra, sin que se excedan los límites
de operación de los equipos
d) Facilitar la operación de los
dispositivos de protección adecuados
para la eliminación de fallas a tierra.
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DistriLuz
Objetivos y finalidad de la
PAT
e) Proveer un medio
de
descarga
y
desenergización
de
equipos,
antes
de
proceder a las tareas
de mantenimiento.
f)
Dar
mayor
confiabilidad
y
seguridad al servicio
eléctrico.
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Corrientes de falla en
subestaciones
DistriLuz
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES
DE FALLA SON:
a) Descargas atmosféricas, la de
mayor ocurrencia y deterioran
las líneas aéreas y los equipos de
la subestación u otros edificios.
b) Reducción del aislamiento
externo, fenómeno debido a la
contaminación
del
medio
ambiente.
c)
Actos de vandalismo
d) Sobretensiones de maniobra
e) Contacto accidental a tierra
de las fases del sistema.
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Corrientes de falla en
subestaciones
DistriLuz
ATERRAMIENTO DEL
SEP :
NEUTRO DE
mayor
a) Neutro
aislado,
continuidad
del servicio,
poca seguridad.
Vn
/3
s
R
Neutro Flotante
Flotante
Real
Falla
Tensión
Neutro -Tierra
UNT=0
T
If
Retorno de
Corrientes
de Falla
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Corrientes de falla en
subestaciones
DistriLuz
ATERRAMIENTO DEL
SEP :
NEUTRO DE
Neutro puesto a tierra, mas
seguro poca continuidad.
•
Solidamente a tierra
•
A traves de una R
•
A
traves
reactancia
de
Conexión a
Tierra
N
UN
Vn
/ 3
Real
Real
una
Falla
Puesta
a Tierra
s
R
Neutro a Tierra (U=0)
If
Retorno de
Corrientes
de Falla
Neutro Fijo
T
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DistriLuz
Contornos equipotenciales en
subestaciones durante una falla
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DistriLuz
Potenciales peligrosos en
subestaciones durante una falla
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DistriLuz
Corrientes de falla en lineas
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES
DE FALLA SON:
a) Perturbaciones muy rápidas,
por el orden de uS, da lugar a
una onda que viaja a al velocidad
de la luz.
b) Perturbaciones
rápidas,
Tiempo de duración por el orden
de mS y son todas las fallas
shunt.
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DistriLuz
Corriente de falla a tierra
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DistriLuz
Valor de la corriente de falla
a tierra
If 
3V
3Zs3Zf  Zo Z1 Z2
Donde:
If: Valor rms de la corriente de falla a tierra en el instante de inicio de la
falla en amperios.
V: Tensión de fase en Voltios.
Zs:Impedancia de puesta a tierra de la instalación en .
Zf: Impedancia de falla en 
Zo,Z1,Z2: Impedancias de secuencia del sistema en el lugar de falla en 
[email protected]
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DistriLuz
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Factores que influyen en el GP
alrededor de una estructura
Magnitud de la If
Localización
de
la
falla
con
respecto a los terminales de la
línea
Resistencia de PAT de la SE en los
terminales de la LT
Arreglo del conductor en la torre y
localización de la fase fallada
RPAT promedio de la LT y RPAT
de la torre mas cercana a la falla
Sección, material y dimensiones
del CG y de los contrapesos de
PAT
Resistividad del suelo
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DistriLuz
Perfil de GP alrededor de
una estructura
Los potenciales
a
normales
alcanzan
su
máximo valor
en la base de la
torre
y
decrecen
rapidamente al
alejarse de ella.
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DistriLuz
Corrientes de falla en
instalaciones de MT
LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES
DE FALLA SON:
a) Predominantemente fallas a
tierra
por
deterioro
del
aislamiento,
solución
incremento de frecuencia de
mantenimiento o aumentar
la
linea
de
fuga
del
aislamiento.
b)
Fallas
evolutivas
deficiencia de aislamiento.
por
[email protected]
DistriLuz
Potenciales anormales
durante la falla en MT
1m
VC
1m
Vp
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Evaluación de la corriente
eléctrica en el cuerpo humano
DistriLuz
Corriente a través del Cuerpo Humano
El cuerpo humano, constituido de tejidos celulares
complejos (contenido
de agua y diferentes sales),
presenta facil conduccón de corriente, de resistencia
promedio entre 500 y 1500 ohmios, que es función de:
peso, estatura y los puntos de contacto; la más peligrosa
es cuando el contacto ocurre entre manos y pies o entre
manos ya que dichos circuitos comprometen la mayor
parte de organos vitales, incluyendo el corazón y no asi
cuando la corriente circula entre ambos pies en que para
tener una peligrosidad similar deberia ser casi 25 veces
mayor, o tener una larga duración.
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SOLICITACIONES ELECTRICAS AL
DistriLuz
CUERPO HUMANO
Para t>1s
Limite de una percepción humana
Malestar y dolor con descontrol de músculos
estriados que eventualmente impide soltar un
objeto energizado
Producen contracciones en los músculos,
25 mA
respiración dificil.
50 a 100mA Fibrilación ventricular y muerte consecutiva
(en un tiempo de hasta 3 segundos.
1mA
9 y 25 mA
[email protected]
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SOLICITACIONES ELECTRICAS AL CUERPO
HUMANO
AFECTACIÓN RANGO PORCENTUAL
DistriLuz
99
95
80
60
40
20
5
1
8
10
14
18
20
CORRIENTE TOLERABLE (mA)
[email protected]
DistriLuz
Efrectos de la corriente en mA
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DistriLuz
Criterios de Duración de la
Corrientes Accidentales
Corrientes > a 100 mA pueden ser tolerables sin ocasionar
fibrilación, si t<0.1s; las conclusiones de Dalziel muestran
que el 99.5% de personas pueden soportar sin fibrilación
ventricular, corrientes de valor (Ic), calculables a partir de la
expresión que toma en cuenta la constante de energía de
agunate del cuerpo humano.
×t  k
0.116
Ic(50) 
t
0.157
Ic(70) 
t
c
De donde:
k=0.0135 para personas de 50 kg de peso
k=0.024649 para personas de 70 kg de peso
Ic: corriente en amperios que fluye por el cuerpo
t: tiempo en segundos que debe estar entre 0.3 y 3 segundos
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DistriLuz
Criterios de Duración de las Corrientes
Accidentales
Es decir, se puede tolerar 116 mA en 1s o 367 durante 0.1s (6
ciclos); por lo tanto se puede soportar mayores corrientes si se
dispone de sistemas de protección rápidos, que aclaran las
fallas, resultando materia de análisis de decisión de utilizar los
intervalos de accionamiento de los Relés de alta velocidad para
los réles de respaldo, para el diseño de puestas a tierra.
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DistriLuz
Criterios de Duración de las Corrientes
Accidentales
Los recierres automaticos rápidos de los interruptores
modernos, pueden significar un segundo Shock con un
intervalo libre inferior a medio segundo, de modo que dicho
lapso permita a la víctima, librarse del contacto, ya que de no
ser así, el segundo shock aún siendo menos intenso podrá ser
más peligroso y hasta ocasionar la muerte.
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DistriLuz
Diferencia de potecial (ddp) permisible
La ddp dende de la Ic y de las resistencias de contacto entre los
pies y entre una mano y los pies.
Donde:
dp : Distancia entre los pies
IA : Corriente del circuito accidental
RA : Resistencia efectiva total del circuito accidental
Ic : Corriente limite del cuerpo
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CIRCUITO DE TENSION DE PASO
DistriLuz
IA
RMP
U
Rp
Rc
Rp
IA
dp
d p  1m
R A  R c  2 R p -2 R MP
IA  U
RA
R C  1000 
R 2 PS  6 
R 2 PS  6  s C S
Donde:
IA = Corriente de falla
RA = Resistencia de falla total
R2PS=2(RP-RMP),resistencia de dos pies en serie
RMP=Resistencia mutua entre pies
RP = Resistencia propia de un pie
RC = Resistencia del cuerpo
CS=Factor de reducción para capa superficial
 S=Resistividad superficial primera capa
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DistriLuz
CIRCUITO DE TENSION DE TOQUE
IA
U
RP
RC
RMP
RP
RA  RC  1 (RP  RMP)
2
R2PP 1.5
R2PP 1.5CSS
Para:

RP 
4b
RMP  
2 dP
Donde:
R2PP=1/2(RP+RMP),resistencia de dos pies en serie
RMP=Resistencia mutua entre pies
RP = Resistencia propia de un pie
RC = Resistencia del cuerpo
CS=Factor de reducción para capa superficial
 S=Resistividad superficial primera capa
[email protected]
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DistriLuz
Valores de resistencias de contacto
Los límites de diseño se han establecido como
tensiones y para llegar a los límites apropiados, es
necesario considerar la impedancia a través del cuerpo
humano, la resistencia de contacto de la mano, la
resistencia del calzado y la resistividad del material
superficial bajo el calzado. Suponiendo:
100
Ohm – metro la resistividad del suelo.
1000 Ohm para la impedancia del ser humano.
4000 Ohm de impedancia para el calzado.
300
Ohm resistencia de contacto de la mano.
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Tensión de paso y de contacto
permisibles por el cuerpo humano
DistriLuz
UPaso(50)  (10006CS S)0.116/ t
UPaso(70)  (10006CS S)0.157/ t
UContacto(50)  (10001.5CS S)0.116/ t
UContacto(70)  (10001.5CS S)0.157/ t
0,09(1
CS 1

S
)
2hs 0,09
Cs = 1 para suelos homogeneos
hS=espesor de la capa superficial
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DistriLuz
Determinación grafica de Cs
K=0
1.0
-0.1
0.8
0.6
-0.2
-0.3
-0.4
0.4
-0.5
Cs
-0.6
0.2
-0.7
-0.8
-0.9
hs
0
K
 - S
  S
Tensión de contacto permitido
(v)
DistriLuz
0.04
0.08
012
hs
0.16
0.20
0.24
(metros)
Valores tolerables de Uc
con gravilla
sin gravilla
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DistriLuz
Aplicación
Determinar la tensiones admisible para una persona de 70 kg
si la falla es despejado en 200ms y la resistividad superficial
1000 -m y la resistividad del terreno es 100 -m , edemas
el espesor de la primera capa es de 0,2m.
DistriLuz
Tarea No 01
Determinar la tensiones admisible para una persona de 50 kg
si la falla es despejado en 300ms y la resistividad superficial
1500 -m y la resistividad del terreno es 150 -m , ademas
el espesor de la primera capa es de 0,7m.
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DistriLuz
Tarea No 02
Si estamos dentro de una subestación GIS, determinar la
tensiones admisible para una persona de 70 kg, para una
falla que es despejado en 130ms.
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