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Puestas a tierra de las instalaciones eléctricas de
potencia
La puesta a tierra de las instalaciones tiene varias
misiones. La que se analiza a continuación es la de reducir
las corrientes que puedan circular por el cuerpo de las
personas debido principalmente a corrientes de falla en
instalaciones de generación, transformación o transmisión
de energía eléctrica.
Las puestas a tierra están constituidas por uno o varios
electrodos enterrados y por las líneas de tierra que
conectan dichos electrodos a los elementos que deban
quedar puestos a tierra.
Las funciones de la puesta a tierra es derivar al terreno las
corrientes de falla o las debidas a descargas atmosféricas.
Una puesta a tierra adecuada logra:
. Limitar la diferencia de potencial que en un momento
dado puede presentarse entre estructuras metálicas y tierra
. Posibilitar la detección de fallas a tierra y asegurar la
actuación de las protecciones, eliminando o disminuyendo
el riesgo que supone una avería para las personas o las
partes del sistema.
. Limitar las sobretensiones internas que puedan aparecer
en la red eléctrica según las condiciones de explotación.
. Evitar que las tensiones de frente abrupto que originan
las descargas atmosféricas provoquen cebado de aisladores
en el caso de instalaciones a la intemperie.
Como se adelantó, se tratará en adelante en lo que respecta
a la seguridad de las personas. Se supone que una
instalación de puesta a tierra se diseña y construye de
forma tal que en ningún punto normalmente accesible del
interior o exterior donde las personas puedan circular o
permanecer, exista el riesgo
de que puedan estar
sometidas a una tensión peligrosa durante cualquier
defecto de la instalación eléctrica.
No hace falta profundizar demasiado en el análisis para
mostrar que es imposible prevenir en todo momento, en
todo lugar y bajo todas las circunstancias, la presencia de
tensiones peligrosas.
Es entonces responsabilidad del ingeniero intentar
disminuir esa probabilidad tanto como razonablemente se
pueda.
La parte más difícil en esta tarea es la determinación de
los posibles valores de tensión o corriente a los que puede
quedar expuesta una persona cuando con su cuerpo
conecta dos partes del sistema eléctrico, en particular
cuando una de esas partes es el suelo.
Según cómo sea esa conexión, se tratará de
. Tensión de contacto: es la que aparece entre partes del
cuerpo cuando una persona toca un elemento unido a la
instalación que está puesto a tierra y a la vez el terreno. La
tensión que aparece es por lo general la más peligrosa.
. Tensión de paso: es la que aparece entre los pies de una
persona cuando entre ellos media una distancia de un paso
(para las normas se toma un metro).
. Tensión transferida: es la que aparece entre partes del
cuerpo cuando una persona toca un elemento no
directamente unido a la instalación, que está puesto a
tierra, y a la vez el terreno. La tensión transferida es un
caso especial de la tensión de contacto, en la que el
elemento tocado no forma parte de la instalación eléctrica.
En las figuras se muestran el significado físico y eléctrico
de la tensión de contacto y de la tensión de paso.
Tensiones de contacto, de paso y transferida
En las siguientes figuras se muestran los esquemas físico y
eléctrico que se emplean para determinar las tensiones y
corrientes de contacto y de paso.
Circuito eléctrico de la tensión de contacto
Circuito eléctrico de la tensión de paso
Las resistencias del cuerpo Rc y del contacto pie-suelo Rps
se determinan fácilmente. Las resistencias del circuito de
tierra Rt1,2,3 son de cálculo complicado.
En forma simplificada, despreciando las caídas de tensión
en las resistencias Rt1,2,3
Circuito eléctrico de la tensión de contacto
Circuito eléctrico de la tensión de paso
Corrientes
Valores admisibles de corriente
Las normas determinan los valores de corriente admisible
como función del tiempo. A continuación se muestran los
valores especificados por las normas más conocidas.
VDE 0141(la Norma IRAM 2281 está basada en la VDE)
La Norma VDE indica valores de tensión de contacto en
función del tiempo, no de corriente. No se indica valor de
resistencia del cuerpo, pero tomando un valor de 1000 Ω
se tiene la gráfica siguiente:
Biegelmeier
Gottfried Biegelmeier (Austria) ha publicado una gráfica
de corriente admisible en función del tiempo, la llamada
curva Z. No propone un valor de resistencia del cuerpo
Normas suizas
Las normas suizas proponen una corriente admisible según
la gráfica siguiente, sin indicar valor de resistencia del
cuerpo.
IEEE
La Guía 80/2000 del IEEE se basa en estudios hechos por
Dalziel con animales.
Propone valores de corriente en función del tiempo y del
peso del individuo.
I C = 0.116 / t para 50 kg
I C = 0.157 / t para 70 kg
La corriente admisible en función del tiempo se muestra
en la gráfica:
IEC, CENELEC, ITU
La IEC 479-1 (lo mismo que la CENELEC HD 637-1, y la
ITU-T K.33), consideran la resistencia del cuerpo variable
con la tensión, como así también con el circuito que forma
el mismo.
La corriente admisible en función del tiempo se toma
considerando una probabilidad de fibrilación ventricular
de 5%, lo que corresponde a la curva que se muestra en la
figura siguiente
Comparación de las diferentes normas
En la figura siguiente se
correspondientes a cada norma.
muestran
las
curvas
Resistencia
La Guía IEEE 80/2000 asume una resistencia constante de
1000 Ω, pero admite además considerar la resistencia del
contacto pie-suelo.
Rps= 1.5ρ para dos pies en paralelo (contacto)
Rps= 6.0ρ para dos pies en serie (paso)
La Guía 80 indica cómo calcular el efecto de una capa de
material de alta resistividad sobre el terreno para reducir
una reducción de las corrientes de contacto y de paso,
debido a un aumento de la resistencia de contacto piesuelo.
Rps= 1.5ρsCs para dos pies en paralelo (contacto)
Rps= 6.0ρsCs para dos pies en serie (paso)
Cs = 1 −
0.09(1 − ρ / ρ s )
2hs + 0.09
ρ = resistividad del terreno
ρs = resistividad de la capa superficial agregada
hs = espesor de la capa
En la figura siguiente se muestran los valores de Cs en
función de hs con k= (ρ -ρs)/(ρ+ ρs) como parámetro
IEC-CENELEC-ITU
La resistencia del cuerpo varía con la tensión según la
siguiente gráfica, valores que no se exceden en el 50% de
los casos
Aparte de la variación de resistencia con la tensión,
también varía con el circuito (parte del cuerpo afectada)
Los números indican el porcentaje de la impedancia
interna del cuerpo humano para la parte indicada, en
relación con el circuito mano-pie.
Nota: Para calcular la impedancia total del cuerpo para
una trayectoria dada de la corriente, se deben sumar las
impedancias parciales como así también las impedancias
de la piel de las áreas de contacto. Los números fuera del
cuerpo muestran las porciones internas de la impedancia a
añadir al total, cuando la corriente entra por ese punto.
Esquema simplificado
Zip: Impedancia interna parcial de una extremidad (brazo
o pierna)
Nota: La impedancia interna desde una mano a ambos pies
es aproximadamente el 75%, la impedancia desde ambas
manos a ambos pies es el 50% y la impedancia desde
ambas manos al tronco del cuerpo es el 25% de la
impedancia desde mano a mano o desde mano a pie.
La publicación ITU K33 indica valores de resistencia del
calzado, según la tabla siguiente
Resistencias del calzado en kΩ
Tipo y estado del calzado
Zapatos secos
Zapatos húmedos o mojados,
suelo duro
Zapatos húmedos o mojados,
suelo flojo
Suela de
cuero
3000
5
Suela de
elastómero
2000
30
0.25
3
La resistencia del contacto pie-suelo se puede calcular
como sigue
Rps= 1.5 ρ
ρ resistividad del suelo en Ωm
Rps resistencia pie-suelo en Ω
Factor cardíaco de la corriente
Las curvas tiempo-corriente son válidas también para
otros circuitos que mano izquierda-ampos pies, pero es
necesario introducir un factor cardíaco para la corriente.
Este factor representa la relación entre la densidad de
corriente en el corazón para el circuito considerado y la
densidad de corriente en el corazón cuando la corriente de
la misma magnitud circula desde la mano izquierda a los
dos pies.
La corriente circulando por circuitos diferentes de mano
izquierda-ambos pies que representan el mismo de
fibrilación ventricular que si circularan por el circuito
mano izquierda-ambos pies se puede calcular usando la
ecuación siguiente:
I x = I ref / F
F: factor cardíaco de la corriente
Ix: corriente para un circuito dado
Iref: corriente de referencia (para circuito mano izquierdaambos pies)
El factor cardíaco según la IEC 479-1 se muestra en la
tabla siguiente
Trayectoria de la corriente
Mano izquierda a pie izquierdo, pie derecho o
ambos pies
Ambas manos a ambos pies
Mano izquierda a mano derecha
Mano derecha a pie izquierdo, pie derecho o ambos
pies
Espalda a mano derecha
Espalda a mano izquierda
Pecho a mano derecha
Pecho a mano izquierda
Nalgas a mano izquierda, mano derecha o ambas
manos
Factor cardíaco
1.0
1.0
0.4
0.8
0.3
0.7
1.3
1.5
0.7
Por ejemplo, una corriente de 200 mA de mano a mano
tiene la misma probabilidad de producir fibrilación
ventricular que una corriente de 80 mA de mano izquierda
a ambos pies.
Fibrilación ventricular
La fibrilación ventricular es la desincronización de las
fibras del músculo cardíaco, que es la causa de muerte en
caso de electrocución, ya que produce el paro cardíaco por
falta de irrigación del mismo corazón.
En la figura siguiente se muestra un período de un ECG
normal. El corazón es más sensible a la fibrilación
ventricular cuando el choque eléctrico se produce en el
tiempo en el que el corazón se está recobrando de la
excitación de su marcapasos natural.
Ocurrencia del período vulnerable de los ventrículos durante un ciclo
cardíaco. Los números designan las etapas subsiguientes de la propagación
de la excitación.
Inicio de la fibrilación ventricular en el período vulnerable. Efectos en el
electrocardiograma (ECG) y en la presión sanguínea
Tensiones
Valores admisibles de tensión
Las normas determinan los valores de tensión admisible
como función del tiempo. A continuación se muestran los
valores especificados por las normas más conocidas.
VDE 0141(la Norma IRAM 2281 está basada en la VDE)
La Norma VDE sólo indica valores de tensión de contacto
en función del tiempo.
Biegelmeier
Gottfried Biegelmeier (Austria) ha publicado una gráfica
de corriente admisible en función del tiempo, la llamada
curva Z. No propone un valor de resistencia del cuerpo,
pero admitiendo una resistencia de 1000 Ω se tiene la
curva de la figura siguiente
Normas suizas
Las normas suizas proponen una tensión admisible según
la gráfica siguiente
IEEE
La Guía IEEE 80 propone una resistencia del cuerpo de
1000 Ω, y admite la consideración de resistencias de
contacto pie-suelo, con el posible agregado de una
resistencia adicional por el efecto de una capa de material
de alta resistividad.
Partiendo de la corriente admisible
I B = 0.116 / t para 50 kg
I B = 0.157 / t para 70 kg
Con las resistencias de contacto pie-suelo
Rf= 1.5ρ para dos pies en paralelo (contacto)
Rf= 6.0ρ para dos pies en serie (paso)
+
Y el efecto de una capa de material de alta resistividad
sobre el terreno para reducir una reducción de las
corrientes de contacto y de paso, debido a un aumento de
la resistencia de contacto pie-suelo.
Rf= 1.5ρsCs para dos pies en paralelo (contacto)
Rf= 6.0ρsCs para dos pies en serie (paso)
Cs = 1 −
0.09(1 − ρ / ρ s )
2hs + 0.09
ρ = resistividad del terreno
ρs = resistividad de la capa superficial agregada
hs = espesor de la capa
Se llega a que las tensiones de contacto y de paso resultan
Econtacto 70 kg = (1000 + 1.5C s ⋅ ρ s ) ⋅ 0.157 / t
E contacto 50 kg = (1000 + 1.5C s ⋅ ρ s ) ⋅ 0.116 / t
E paso 70 kg = (1000 + 6C s ⋅ ρ s ) ⋅ 0.157 / t
E paso 50 kg = (1000 + 6C s ⋅ ρ s ) ⋅ 0.116 / t
Si no hay capa agregada, Cs=1 y ρs=ρ
Si sólo se considera la resistencia del cuerpo, para estar en
las mismas condiciones que las otras normas, la tensión
aplicada al cuerpo admisible es la que se muestra en la
figura siguiente
Considerando la resistencia de contacto pie-suelo, para la
tensión de contacto correspondiente a 75 kg con la
resistividad del suelo como parámetro se tiene la figura
siguiente
IEC, CENELEC, ITU
La IEC 479-1 (lo mismo que la CENELEC HD 637-1, y la
ITU-T K.33), consideran la resistencia del cuerpo variable
con la tensión, como así también con el circuito que forma
el mismo.
La corriente admisible en función del tiempo se toma
considerando una probabilidad de fibrilación ventricular
de 5%, lo que corresponde a la curva que se muestra en la
figura siguiente, considerando que no hay resistencias
adicionales.
Comparación de las diferentes normas
En la figura siguiente se
correspondientes a cada norma.
muestran
las
curvas
Ejemplo de un cálculo.
Como ejemplo se muestran los resultados obtenidos para
la red de puesta a tierra de la estación transformadora y
centro de distribución Calchines en la ciudad de Santa Fe.
Descripción del caso y datos del sistema:
PROGRAMA ERDE2 - CALCULA POTENCIALES DE LA RED DE TIERRA
-----------------------------------------------------------ET 132/33/13.2 kV y Centro de Distribucion Calchines
-----------------------------------------------------------LONGITUD MAXIMA DE LOS ELEMENTOS
(M)
2.50000
CORRIENTE DISPERSADA
(KA)
10.00000
RESISTIVIDAD DEL TERRENO
ESTRATO SUPERIOR
(OHM*M)
70.00000
ESPESOR DEL ESTRATO
(M)
0.80000
ESTRATO INFERIOR
(OHM*M)
10.00000
COEFICIENTE DE REFRACCION
-0.75000
RESISTIVIDAD DEL RECUBRIMIENTO
(OHM*M)
1000.00000
ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO
(M)
0.10000
TIEMPO DE ACTUACION DE LA PROTECCION (S)
1.00000
Resistencia y potencial de la red:
RESISTENCIA TOTAL DE LA RED
POTENCIAL TOTAL DE LA RED
(OHM)
(V)
0.05778
577.79738
Valores a cumplir según las normas:
IEEE Std. 80
Cs
FACTOR DE REDUCCION TENSION DE CONTACTO
FACTOR DE REDUCCION TENSION DE PASO
RESISTENCIA DE DOS PIES EN PARALELO
RESISTENCIA DE CONTACTO
(OHM)
RESISTENCIA DE DOS PIES EN SERIE
RESISTENCIA DE PASO
(OHM)
CORRIENTE ACCIDENTAL ADMISIBLE
CORRIENTE PARA 50 KG
CORRIENTE PARA 70 KG
TENSIONES ADMISIBLES
SIN CAPA DE PROTECCION
TENSION DE CONTACTO PARA 50
TENSION DE CONTACTO PARA 70
TENSION DE PASO PARA 50 KG
TENSION DE PASO PARA 70 KG
CON CAPA DE PROTECCION
TENSION DE CONTACTO PARA 50
TENSION DE CONTACTO PARA 70
TENSION DE PASO PARA 50 KG
TENSION DE PASO PARA 70 KG
0.71138
0.48378
0.18982
2067.06897
5268.27586
(mA)
(mA)
116.00000
157.00000
KG
KG
(V)
(V)
(V)
(V)
128.18000
173.48500
164.72000
222.94000
KG
KG
(V)
(V)
(V)
(V)
239.78000
324.52983
611.12000
827.11931
VDE 0141/1989
TENSION DE CONTACTO ADMISIBLE
(V)
CENELEC
FACTOR DE CORRECCION DE RESISTENCIA
RESISTENCIA DE CONTACTO
RESISTENCIA DE PASO
CORRIENTE CORPORAL ADMISIBLE
RESISTENCIA DE CONTACTO CORREGIDA
RESISTENCIA DE PASO CORREGIDA
SIN CAPA DE PROTECCION
RESISTENCIA ADICIONAL RA1
RESISTENCIA ADICIONAL RA2
RESISTENCIA ADICIONAL TOTAL RA
TENSION DE CONTACTO A CIRCUITO ABIERTO
TENSION CORPORAL DE CONTACTO ADMISIBLE
TENSION DE PASO A CIRCUITO ABIERTO
TENSION CORPORAL DE PASO ADMISIBLE
78.55947
78.55947
0.75000
(mA)
(Ohm)
(Ohm)
1.00000
80.00000
1340.01413
(Ohm)
(Ohm)
(Ohm)
(V)
(V)
(V)
(V)
1607.66706
0.00000
105.00000
105.00000
115.60113
107.20113
162.21336
CON CAPA DE PROTECCION
RESISTENCIA ADICIONAL RA1
(Ohm)
RESISTENCIA ADICIONAL RA2
(Ohm)
RESISTENCIA ADICIONAL TOTAL RA
(Ohm)
TENSION DE CONTACTO A CIRCUITO ABIERTO
(V)
TENSION CORPORAL DE CONTACTO ADMISIBLE
(V)
TENSION DE PASO A CIRCUITO ABIERTO
(V)
TENSION CORPORAL DE PASO ADMISIBLE
(V)
128.61336
0.00000
1500.00000
1500.00000
227.20113
107.20113
608.61336
Esquema de los conductores:
La zona sombreada corresponde a las áreas protegidas con
material de mayor resistividad.
Las líneas de puntos corresponden a perfiles de potencial
solicitados.
En las figuras siguientes se muestran las corrientes de paso
y de contacto
Perfiles de potencial, corrientes y tensiones de contacto y
de paso.
Densidad de corriente en los conductores