PUESTA A TIERRA

PUESTA A TIERRA
Guillermo Aponte Mayor M.Sc.
Julio de 2009
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RETIE Artículo 15º. Puestas a tierra
Toda instalación eléctrica cubierta por el
presente Reglamento, excepto donde se
indique expresamente lo contrario, debe
disponer de un Sistema de Puesta a Tierra
(SPT), de tal forma que cualquier punto del
interior o exterior, normalmente accesible a
personas que puedan transitar o permanecer
allí, no estén sometidos a tensiones de paso,
de contacto o transferidas, que superen los
umbrales de soportabilidad del ser humano
cuando se presente una falla.
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RETIE Artículo 15º. Puestas a tierra
La exigencia de puestas a tierra para instalaciones
eléctricas cubre el sistema eléctrico como tal y los
apoyos o estructuras que ante una sobretensión
temporal, puedan desencadenar una falla permanente a
frecuencia industrial, entre la estructura puesta a tierra y
la red.
Los objetivos de un sistema de puesta a tierra (SPT)
son:
La seguridad de las personas, la protección de las
instalaciones y la compatibilidad electromagnética.
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RETIE Artículo 15º. Puestas a tierra
Las funciones de un sistema de puesta a tierra son:
a. Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.
b. Permitir a los equipos de protección despejar
rápidamente las fallas.
c. Servir de referencia común al sistema eléctrico.
d. Conducir y disipar con suficiente capacidad las
corrientes de falla, electrostática y de rayo.
e. Transmitir señales de RF en onda media y larga.
f. Realizar una conexión de baja resistencia con la tierra y
con puntos de referencia de los equipos.
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La máxima tensión de contacto aplicada al ser
humano (o a una resistencia equivalente de
1000 Ω), está dada en función del tiempo de
despeje de la falla a tierra, de la resistividad del
suelo y de la corriente de falla. Para efectos del
presente Reglamento, la tensión máxima de
contacto no debe superar los valores dados en
la Tabla 22.
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Tiempo de
despeje de la
falla
Máxima tensión de
contacto admisible IEC
(95% de la población)
Máxima tensión de
contacto IEEE 50 kg
(Ocupacional)
Mayor a dos seg.
50 voltios
82 voltios
Un segundo
55 voltios
116 voltios
700 milisegundos
70 voltios
138 voltios
500 milisegundos
80 voltios
164 voltios
400 milisegundos
130 voltios
183 voltios
300 milisegundos
200 voltios
211 voltios
200 milisegundos
270 voltios
259 voltios
150 milisegundos
300 voltios
299 voltios
100 milisegundos
320 voltios
366 voltios
50 milisegundos
345 voltios
518 voltios
Tabla 22
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La columna dos aplica a sitios con acceso al público en
general y fue obtenida a partir de la norma IEC
60479 y tomando la curva C1 de la Figura 1 de este
reglamento (probabilidad de fibrilación del 5%). La
columna tres aplica para instalaciones de media, alta y
extra alta tensión, donde se tenga la presencia de personal
que conoce el riesgo y está dotado de elementos de
protección personal. Para el cálculo se tuvieron en cuenta
los criterios establecidos en la IEEE 80, tomando como
base la siguiente ecuación, para un ser humano de 50
kilos.
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Corrientes tolerables
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El diseñador de sistemas de puesta a tierra para
centrales de generación, líneas de transmisión de alta y
extra alta tensión y subestaciones, deberá comprobar
mediante el empleo de un procedimiento de cálculo,
reconocido por la práctica de la ingeniería actual, que
los valores máximos de las tensiones de paso y de
contacto a que puedan estar sometidos los seres
humanos, no superen los umbrales de
soportabilidad.
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El procedimiento básico sugerido es el siguiente:
a. Investigar las características del suelo, especialmente la
resistividad.
b. Determinar la corriente máxima de falla (Operador de Red).
c. Determinar el tiempo máximo de despeje de la falla.
d. Investigar del tipo de carga.
e. Calcular preliminar de la resistencia de puesta a tierra.
f. Calcular de las tensiones de paso, contacto y transferidas.
g. Evaluar el valor de las tensiones de paso, contacto y
transferidas.
h. Ajustar y corregir el diseño inicial hasta que se cumpla los
requerimientos de seguridad.
j. Presentar un diseño definitivo.
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Medidas adicionales:
a. Hacer inaccesibles zonas donde se prevea la
superación de los umbrales de soportabilidad.
b. Instalar pisos o pavimentos de gran aislamiento.
c. Aislar todos los dispositivos que puedan ser sujetados
por una persona.
d. Establecer conexiones equipotenciales en las zonas
críticas.
e. Aislar el conductor del electrodo de puesta a tierra a su
entrada en el terreno.
f. Disponer de señalización en las zonas críticas donde
pueda actuar personal calificado.
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El valor de resistencia de puesta a tierra que se debe
tomar al aplicar este método, es cuando la disposición del
electrodo auxiliar de tensión se encuentra al 61,8 % de la
distancia del electrodo auxiliar de corriente, siempre que el
terreno sea uniforme.
Igualmente, se podrán utilizar otros métodos debidamente
reconocidos y documentados en las normas y prácticas de
la ingeniería.
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Las tensiones de paso y contacto calculadas deben
comprobarse antes de la puesta en servicio de
subestaciones de alta tensión y extra alta tensión, así
como en las estructuras de transmisión localizadas
en zonas urbanas o que estén a menos de 20 m de
escuelas o viviendas, para verificar que se
encuentren dentro de los límites admitidos. Para
subestaciones deben comprobarse hasta un metro
por fuera del encerramiento y en el caso de torres o
postes a un metro de la estructura.
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Valores de resistencia de puesta a tierra.
Un buen diseño de puesta a tierra debe garantizar el
control de las tensiones de paso, de contacto y
transferidas. En razón a que la resistencia de puesta a
tierra es un indicador que limita directamente la
máxima elevación de potencial y controla las tensiones
transferidas, pueden tomarse como referencia los
valores máximos de resistencia de puesta a tierra de la
Tabla 25, adoptados de las normas técnicas IEC
60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050 y NTC 4552.
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Aplicación
Valores máximos de
resistencia de
puesta A tierra
Estructuras de líneas de transmisión o torrecillas
metálicas de distribución con cable guarda
20 Ω
Subestaciones de alta y extra alta tensión.
1Ω
Subestaciones de media tensión.
10 Ω
Protección contra rayos.
10 Ω
Neutro de acometida en baja tensión.
Tabla 25
25 Ω
El cumplimiento de estos valores de resistencia de puesta a tierra
no libera al diseñador y constructor de garantizar que las
tensiones de paso, contacto y transferidas aplicadas al ser
humano en caso de una falla a tierra no superen las máximas
permitidas.
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Medidas para no exponer a las personas a tensiones por
encima de los umbrales de soportabilidad :
a. Hacer inaccesibles zonas donde se prevea la superación
de los umbrales y disponer de señalización.
b. Instalar pisos o pavimentos de gran aislamiento.
c. Aislar todos los dispositivos que puedan ser sujetados por
una persona.
d. Establecer conexiones equipotenciales en zonas críticas.
e. Aislar el conductor del electrodo de puesta a tierra a su
entrada en el terreno.
f. Disponer de señalización en las zonas críticas donde pueda
actuar personal calificado, siempre que éste cuente con las
instrucciones sobre el tipo de riesgo y esté dotado de los
elementos de protección personal aislantes.
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Que es una Tierra?
Una puesta a tierra (ground) es un medio a través del cual
un equipo o circuito eléctrico es conectado a tierra (earth)
o a algún cuerpo conductor.
IEEE Std. 81
Conexión de baja impedancia con la suficiente capacidad
de disipar corriente, para prevenir almacenamiento de
carga que pueda resultar en un peligro para los equipos
conectados o las personas.
NEC ART 800-30
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Por que se requiere una puesta a
tierra
Para proteger al personal del choque eléctrico.
Para proteger a los equipos.
Para despejar rápidamente las fallas a tierra.
Para disipar la corriente de los rayos en el sistema.
Para proveer un nivel de voltaje de referencia.
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Protección contra choque eléctrico
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Falla a tierra
V
R
Descarga de rayo
I
V3 - V4 = TENSIÓN DE TOQUE
V1 - V2 = TENSIÓN DE PASO
V3
TOQUE
V4
I
V1
PASO
V2
CORRIENTE DISIPADA EN LA TIERRA
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VOLTAJE TOQUE
Voltajes de paso y de contacto
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Voltajes con la malla de tierra
de
Tensión de Tensión
toque
paso
Tensión de
malla
Et
Em
Ep
IEEE Std 80-2000
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Voltaje de paso
IEEE Std 80-2000
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Voltaje de toque o contacto
IEEE Std 80-2000
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Corrientes tolerables
IEC 60479-1.
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Corriente tolerable (Dalziel)
Corriente máxima que tolera una persona de 50 Kg,
con una probabilidad del 95% de sobrevivencia (max
3 seg).
Ib =
0.116
t
Donde:
Ib = Corriente en amperios
t = Duración de la corriente en segundos
IEEE Std 80-2000
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Efecto del suelo o el terreno
El suelo tiene una resistividad eléctrica baja, pero
no es cero.
La efectividad del sistema de puesta a tierra es
afectada por la resistividad de la tierra.
La resistividad cambia con factores como ºC,
profundidad, humedad, homogeneidad, etc.
Es necesario conocer esta resistividad.
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Medición de la resistividad
♦ Se inyecta una corriente y se mide el voltaje,
calculando la resistencia mediante la ley de Ohm.
♦ Se emplea una corriente de onda cuadrada para
filtrar los harmónicos y transitorios, y para evitar
la interferencia durante la medición.
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Método de dos electrodos
Es un método aproximado para pequeños volúmenes de
suelo.
IEEE Std 81-1983
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Potenciales entre dos electrodos
IEEE Std 81-1983
Figura 6. Curva Resistencia Vs Distancia
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Potenciales entre dos electrodos
IEEE Std 81-1983
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Método de cuatro electrodos
Método de Wenner o de electrodos igualmente separados
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Resistencia de tierra
Estructuras de líneas de transmisión o torrecillas
metálicas de distribución con cable guarda
20 Ω
Centrales y Subestaciones de alta y extra alta
tensión.
1Ω
Subestaciones de media tensión.
10 Ω
Subestaciones pequeñas (IEEE)
5Ω
Protección contra rayos.
10 Ω
Neutro de acometida en baja tensión.
25 Ω
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Resistencia de la malla de tierra
Linea de
transmisión.
IEC 60479-1.
Tierra infinita.
Malla de la
subestación.
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Medición de la resistencia de una
puesta a tierra
La medición de la resistencia de puesta a tierra se realiza
para:
1. Determinar la resistencia real de la conexión a tierra.
2. Verificar los cálculos.
3. Determinar (a) el aumento y variación de los potenciales
en un área, como resultado de una corriente de falla, (b)
la habilidad de la conexión para proteger contra rayos y
para facilitar la operación de radio transmisión.
4. Obtener datos necesarios para el diseño de la protección
de edificios, así como de los equipos y el personal que
estén en ellos.
IEEE Std 81-1983
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Resistencia de un electrodo
R=ρL/ a
Donde:
♦ ρ es la resistividad de tierra en ohm-cm
♦ L es el largo del electrodo
♦ a es el área de sección del electrodo
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Medición de la resistencia de un
apuesta a tierra
Métodos de prueba mas usados:
• Método de la caída de potencial.
• Método del 62 %.
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Método de la caída de potencial
Consiste en graficar la relación V/I = R, como
función de la distancia x. El electrodo de potencial
se aleja en pasos desde el punto de tierra bajo
prueba y un valor de R es obtenido en cada punto.
La resistencia se grafica como función de la
distancia y el valor en ohmios en el cual la curva
cambia de tendencia, se toma como el valor de la
resistencia de la puesta a tierra bajo prueba.
IEEE Std 81-1983
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Método de la caída de potencial
R(x)= V/I
IEEE Std 81-1983
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Método de la caída de potencial
♦ Se toman medidas de una gran cantidad de puntos, para
obtener la curva de resistencia de tierra.
♦ Alta confiabilidad, pero requiere mucho tiempo y trabajo.
♦ Distancia D(50 m?) , espacio a?.
a
D
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Método del 62%
Dep = 62%
30/50, 10/15
D
Dpc = 40%
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Método del 62%
♦
♦
♦
♦
Esta basado en el método de caída de potencial.
Toma una sola medida.
Es rápido y fácil.
Asume que las condiciones son ideales (distancia
apropiada entre electrodos y suelo homogéneo).
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Medición de resistencia de una SE
A
V
Línea telefónica
1
2
Voltaje
regulado
1
2
Malla de tierra
Tierra remota
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Medición de voltaje de paso
IEEE Std 81.2-1991
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Medición de voltaje de toque
IEEE Std 81.2-1991