PROPUESTA DE DISENO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACION LAS FRESAS BANCO I.

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ESCUELA SUP

PROPUESTA DE DISE

MEDICION DE RESIST

QUE P IN

J

UPERIOR DE INGENIERÍA MECÁ

ELÉCTRICA

SEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A T

STENCIA A TIERRA DE LA SUBESTA

FRESAS BANCO I.

T E S I S

PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A

JUAN CARLOS NAVA PALACIOS

MÉXICO

ÁNICA Y

TIERRA Y

ACIÓN LAS

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DEDICATORIA

A mis padres, por apoyarme en todo momento durante mi etapa de formación académica, pero sobre todo por haberme inculcado los valores y principios primordiales.

A mis hermanos, por estar siempre al pendiente de mis pasos, y por ser una fuente de inspiración constante para superarme día con día.

A mis seres queridos, por depositar su confianza en mí, y por tener siempre buenos deseos.

Brindo este trabajo a todas aquellas personas que han sido mis cómplices a lo largo de este largo camino, ya que el día de hoy se concreta una meta muy importante para mí.

A todos los que han compartido algunos minutos de su tiempo en observar y aportar sus comentarios a este trabajo.

A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (E.S.I.M.E), así como sus profesores, por hacer posible la formación de grandes profesionistas que se integran con éxito al sector eléctrico del país.

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AGRADECIMIENTOS

Al Ing. Harper, por haber aceptado asesorarme, además de haber tenido paciencia en mí durante todo este periodo.

Al Dr. Daniel Ruiz, que otorgo su valioso tiempo para nutrir con su experiencia el contenido de este trabajo.

Al Ing. Telesforo, por su disponibilidad y profesionalismo, ya que en todo momento pude contar con sus consejos.

Al Ing. Bulmaro Sánchez, por su amabilidad y por sus atinadas recomendaciones, que enriquecieron este trabajo.

Al Ing. Gonzalo Mendoza Galván, por brindarme la oportunidad de trabajar a su lado, por darme su amistad, pero sobre todo por la confianza que tuvo en mí para desarrollar y culminar este trabajo.

Al Ing. Fernando Atristain, por otorgarme el privilegio de integrarme a su selecto grupo de trabajo, por confiar en los jóvenes que tienen ganas de salir adelante, por tener esa vocación de transmitir sus conocimientos a las nuevas generaciones, pero por sobre todas las cosas, por demostrarme que los sueños, por muy lejanos que parezcan, se pueden hacer realidad.

A la Contadora Estela Barroso, porque sus consejos siempre puntuales, su amistad incondicional, y sus buenos deseos han sido un gran aliciente para mí.

A mis compañeros y amigos, porque su profesionalismo es buen pretexto para tratar de ser una mejor persona.

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CONTENIDO

PÁGINA

LISTA DE FIGURAS ... XI

LISTA DE TABLAS ... XIII

GLOSARIO ... XV

ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS ... XIX

SIGLAS Y ACRÓNIMOS ... XXI

OBJETIVO ... 1

INTRODUCCIÓN... 1

CAPÍTULO I: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE POTENCIA CONVENCIONAL ... 5

1.1 DEFINICIONES[1],[4],[19] ... 5

1.2 PLANTEAMIENTODELPROBLEMA[1] ... 9

1.3 CONSIDERACIONESSOBRESEGURIDAD[1] ... 10

1.4 EFECTOSDELACORRIENTE[1] ... 11

1.5 LÍMITESDECORRIENTETOLERABLE[1] ... 13

1.6 CIRCUITODEELECTROCUCIÓNACCIDENTAL[1] ... 14

1.7 EFECTODEUNACAPADELGADADEMATERIALSUPERFICIAL[1] ... 19

1.8 CRITERIODETENSIONESDESEGURIDAD[1] ... 20

CAPÍTULO II: RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO Y PRINCIPIOS DE RESISTENCIA A TIERRA PARA SUBESTACIONES ELÉCTRICAS CONVENCIONALES ... 23

2.1 RESISTIVIDADDELSUELO[4] ... 23

2.2 FACTORESQUEAFECTANLARESISTIVIDADDELSUELO[4] ... 24

2.3 MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO ... 29

2.4 INTERPRETACIÓN DE MEDICIONES DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO[5] ... 36

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PROPUESTA DE DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Y MEDICION DE RESISTENCIA A TIERRA DE LA SUBESTACIÓN LAS FRESAS BANCO I

PÁGINA

2.6 MEDICIÓNDERESISTENCIAATIERRADESUBESTACIONESELÉCTRICAS CONVENCIONALES POR EL MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL O DE LOS TRES

ELECTRODOS[3] ... 43

CAPÍTULO III: MÉTODO DE CÁLCULO DE REDES DE TIERRA PARA SUBESTACIONES ELÉCTRICAS DE POTENCIA CONVENCIONALES ... 47

3.1 CRITERIOSDEDISEÑO[4] ... 47

3.2 PROCEDIMIENTODEDISEÑO[1] ... 49

3.3 DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE LA SUBESTACIÓN LAS FRESAS BANCOI ... 64

3.4 IMPACTO EN LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN DISEÑO COMO CONSECUENCIADELAMODIFICACIÓNDEALGUNOSPARÁMETROSINICIALES ... 73

3.5 COMPARATIVAENTRELOSRESULTADOSOBTENIDOSUTILIZANDODEL PROCEDIMIENTODEDISEÑODEREDESDETIERRADECFE Y CLFCONRESPECTO ALPROCEDIMIENTODEDISEÑODELSTD.80DEIEEE ... 80

3.6 CONECTORESYACCESORIOSPARALAREDDETIERRAS[11] ... 88

3.7 CRITERIOS PARA LA PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL DE LA CASETA DE CONTROL DE LA SUBESTACIÓN.[6] ... 90

3.8 ELPAPELQUE JUEGALARED DETIERRASDELASUBESTACIÓN ANTE LAPRESENCIADELASARMÓNICAS ... 103

CAPÍTULO IV: VERIFICACIÓN EN CAMPO DE LOS VALORES CALCULADOS ... 119

4.1 GENERALIDADES ... 119

4.2 DESARROLLO... 119

CAPÍTULO V: ESTUDIO TÉCNICO - ECONÓMICO. ... 125

5.1 INTRODUCCIÓN ... 125

5.2 OBJETIVO. ... 125

5.3 COSTODEINVERSIÓNYUTILIDAD ... 125

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 129

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LISTA DE FIGURAS

PÁGINA FIGURA 1.1 ISOMÉTRICO MOSTRANDO UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA CONFORMADO POR

CUATRO MALLAS, INDICANDO SUS PRINCIPALES ELEMENTOS. ... 6

FIGURA 1.2DIBUJO EN TRES DIMENSIONES MOSTRANDO LOS GRADIENTES DE POTENCIAL EN LA SUPERFICIE DEL SUELO ORIGINADOS POR LA INYECCIÓN DE UNA CORRIENTE AL ARREGLO DE LA FIGURA 1.1.TAMBIÉN SE ILUSTRAN ALGUNOS CONCEPTOS MENCIONADOS PREVIAMENTE... 7

FIGURA 1.3DIBUJO EN PLANTA MOSTRANDO LOS GRADIENTES DE POTENCIAL EN LA SUPERFICIE DEL SUELO ORIGINADOS POR LA INYECCIÓN DE UNA CORRIENTE AL ARREGLO DE LA FIGURA 1.1. ... 7

FIGURA 1.4ALZADO MOSTRANDO LAS DIFERENCIAS DE POTENCIAL RIESGOSAS.[1] ... 8

FIGURA 1.5ALZADO MOSTRANDO LA REPRESENTACIÓN DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL USADA PARA INCREMENTAR LA RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE EL SUELO Y LOS PIES DE LAS PERSONAS. ... 8

FIGURA 1.6. DIAGRAMA SIMPLIFICADO PARA ENTENDER EL CONCEPTO DE RESISTIVIDAD DEL SUELO, COMO LA RESISTENCIA DE UN VOLUMEN CON SECCIÓN TRANSVERSAL A Y LONGITUD L UNITARIAS.[5]. ... 8

FIGURA 1.7.EXPOSICIÓN A LA TENSIÓN DE CONTACTO [1] ... 15

FIGURA 1.8.IMPEDANCIA PARA EL CIRCUITO DE LA TENSIÓN DE CONTACTO [1] ... 16

FIGURA 1.9.CIRCUITO DE LA TENSIÓN DE CONTACTO [1] ... 16

FIGURA 1.10.EXPOSICIÓN A LA TENSIÓN DE PASO [1] ... 17

FIGURA 1.11.CIRCUITO DE LA TENSIÓN DE PASO [1] ... 17

FIGURA 1.12.ALZADO MOSTRANDO LA REPRESENTACIÓN DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL USADA PARA INCREMENTAR LA RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE EL SUELO Y LOS PIES DE LAS PERSONAS. ... 19

FIGURA 2.1. DIAGRAMA SIMPLIFICADO PARA ENTENDER EL CONCEPTO DE RESISTIVIDAD DEL SUELO, COMO LA RESISTENCIA DE UN VOLUMEN CON SECCIÓN TRANSVERSAL A Y LONGITUD L UNITARIAS [5]. ... 23

FIGURA 2.2RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA. ... 25

FIGURA 2.3. RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIÓN DE LA CONCENTRACIÓN1 DE SALES DISUELTAS [4]. ... 26

FIGURA 2.4.RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIÓN DEL TIPO DE SALES [4]. ... 26

FIGURA 2.5RESISTIVIDAD DEL SUELO EN FUNCIÓN DE LA HUMEDAD 2. ... 27

FIGURA 2.6.ESTRATIFICACIÓN DEL SUELO [5]. ... 27

FIGURA 2.7.VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA A TIERRA EN FUNCIÓN DE LA ÉPOCA DEL AÑO [10]. ... 28

FIGURA 2.8PRINCIPIO DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MÉTODO DE WENNER. ... 29

FIGURA 2.9ESQUEMA DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MÉTODO DE WENNER . ... 30

FIGURA 2.10DIRECCIONES PARA LA MEDICIÓN EN CAMPO.[2]... 31

FIGURA 2.11PRINCIPIO DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MÉTODO DE SCHLUMBERGER [2]. ... 34

FIGURA 2.12ESQUEMA DE MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO POR EL MÉTODO DE SCHLUMBERGER [2]. ... 34

FIGURA 2.13.RESISTIVIDAD APARENTE EN FUNCIÓN DE LA SEPARACIÓN ENTRE ELECTRODOS DE PRUEBA [4]. ... 37

FIGURA 2.14MODELO ESTRATIFICADO DE DOS CAPAS HORIZONTALES. ... 39

FIGURA 2.15PRINCIPIO DE MEDICIÓN DE RESISTENCIA A TIERRA POR EL MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL [3] ... 43

FIGURA 2.16RESISTENCIA APARENTE PARA VARIOS ESPACIAMIENTOS DE X.[3] ... 43

FIGURA 2.17CURVA TÍPICA DE RESISTENCIA A TIERRA [3]. ... 44

FIGURA 3.1DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.[1]... 50

FIGURA 3.2.VISTA DE PLANTA DEL SPT PROPUESTO PARA LA S.E.LAS FRESAS BANCO I. ... 68

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LISTA DE FIGURAS

PÁGINA

FIGURA 3.5.GRÁFICA DE VARIACIÓN DE TENSIÓN DE PASO SUPERFICIAL (ES) Y DIFERENCIA DE POTENCIAL DE PASO TOLERABLE PARA UNA PERSONA DE 50 KG (EPASO50) MODIFICANDO LA

RESISTIVIDAD DE DISEÑO ( ). ... 75

FIGURA 3.6.GRÁFICA DE VARIACIÓN DE TENSIÓN DE CONTACTO TOLERABLE PARA UNA PERSONA DE 50 KG (ECONTACTO50) Y DIFERENCIA DE POTENCIAL DE PASO TOLERABLE PARA UNA PERSONA DE 50 KG (EPASO50) MODIFICANDO LA RESISTIVIDAD DE LA CAPA SUPERFICIAL DE ROCA TRITURADA ( S). ... 76

FIGURA 3.7.GRÁFICA DE VARIACIÓN DE RESISTENCIA A TIERRA (RG) Y LONGITUD EFECTIVA DE CONDUCTORES (LM) MODIFICANDO ESPACIAMIENTO ENTRE CONDUCTORES PARALELOS (D). ... 77

FIGURA 3.8. GRÁFICA DE VARIACIÓN DE POTENCIAL DE MALLA (VM) Y TENSIÓN DE PASO SUPERFICIAL (ES) MODIFICANDO LA CORRIENTE SIMÉTRICA DE FALLA A TIERRA (IF) ... 78

FIGURA 3.9.GRÁFICA DE COSTO DE LA RED DE TIERRAS (CABLE ENTERRADO) PARA DISEÑOS TOMANDO COMO BASE TENSIONES TOLERABLES PARA PERSONAS DE 50KG. Y 70KG. ... 79

FIGURA 3.10. FLUJOGRAMA DE PROCEDIMIENTO DE DISEÑO, DE ACUERDO CON LA NRF-011-CFE[2]. ... 81

FIGURA 3.11.DIAGRAMA DE BLOQUES PARA EL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO, DE ACUERDO CON MANUAL DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DE COMPAÑÍA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. ... 82

FIGURA 3.12.ACOPLAMIENTO ENTRE DOS CIRCUITOS DEBIDO A UNA TRAYECTORIA DE RETORNO COMÚN. ... 93

FIGURA 3.13. ACOPLAMIENTO DE UNA SEÑAL EXTERNA A LOS CABLES DE INTERCONEXIÓN DEL EQUIPO. ... 94

FIGURA 3.14.FORMAS DE RUIDO. ... 95

FIGURA 3.15.PUESTA A TIERRA EN UN SOLO PUNTO PARA SEÑALES DE BAJA FRECUENCIA CON GABINETES PRÓXIMOS UNOS DE OTROS. ... 101

FIGURA 3.16.PUESTA A TIERRA EN UN SOLO PUNTO PARA SEÑALES DE BAJA FRECUENCIA CON GABINETES PRÓXIMOS UNOS DE OTROS. ... 101

FIGURA 3.17.PUESTA A TIERRA EN UN SOLO PUNTO PARA SEÑALES DE BAJA FRECUENCIA CON GABINETES AMPLIAMENTE SEPARADOS CON INTERRUPTOR DE SEGURIDAD DE PUERTA. ... 102

FIGURA 3.18.PUESTA A TIERRA DE CIRCUITOS DE CONTROL. ... 102

FIGURA 3.19.ONDA SENOIDAL A FRECUENCIA FUNDAMENTAL. ... 104

FIGURA 3.20.ONDA SENOIDAL DE LA QUINTA ARMÓNICA. ... 104

FIGURA 3.21.FORMA DE ONDA RESULTANTE DE LA ADICIÓN DE LAS ONDAS DE LAS FIGURAS.3.19 Y 3.20. ... 104

FIGURA 3.22.DENSIDADES DE CORRIENTE EN UN MISMO CONDUCTOR,(A) A CORRIENTE DIRECTA Y (B) A CORRIENTE DE ALTA FRECUENCIA. ... 107

FIGURA 3.23. CIRCUITOS QUE EJEMPLIFICAN: (A) RESONANCIA PARALELO Y (B) RESONANCIA SERIE. ... 109

FIGURA 3.24. CIRCUITO EQUIVALENTE PARA EL ANÁLISIS DEL SISTEMA A FRECUENCIAS ARMÓNICAS. ... 110

FIGURA 3.25.ALGUNOS DIAGRAMAS DE FILTROS PASIVOS. ... 114

FIGURA 3.26.RESPUESTA A LA FRECUENCIA TÍPICA DE UN FILTRO DE SINTONIZADO PUNTUAL. ... 115

FIGURA 3.27.CIRCUITO ESQUEMÁTICO DE UNA TRAMPA DE ONDA [18]. ... 116

FIGURA 4.1 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE CONEXIONES PARA LA MEDICIÓN DE RESISTENCIA A TIERRA CON CUATRO POLOS [9]. ... 120

FIGURA 4.2PUNTO SELECCIONADO PARA LA INYECCIÓN DE CORRIENTE Y DISTANCIA PARA LA UBICACIÓN DE LOS ELECTRODOS AUXILIARES DE CORRIENTE Y POTENCIAL. ... 121

FIGURA 4.3 GRÁFICA DE VALORES DE RESISTENCIA OBTENIDOS POR CADA INCREMENTO DE DISTANCIA. ... 123

FIGURA 5.1.PRESUPUESTO DE MEDICIONES EN CAMPO. ... 126

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LISTA DE TABLAS

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TABLA 2.1.-FORMATO DE REGISTRO DE MEDICIONES DE RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO [2]. ... 33

TABLA 2.2.-VALORES DE RESISTIVIDAD PARA VARIOS TIPOS DE SUELOS Y AGUA [5]. ... 35

TABLA 2.3FORMATO TÍPICO PARA EL REGISTRO DE LOS VALORES DE RESISTENCIA A TIERRA. ... 46

TABLA 3.1ÍNDICE DE PARÁMETROS DE DISEÑO [1]. ... 49

TABLA 3.2.CARACTERÍSTICAS DE MATERIALES [1]. ... 54

TABLA 3.3.CONSTANTES DE MATERIALES [1]. ... 55

TABLA 3.4.VALORES TÍPICOS DE DF[1]. ... 58

TABLA 3.5.DATOS PARA DISEÑO DE LA RED DE TIERRAS DE LA SUBESTACIÓN LAS FRESAS BANCO I[8]. ... 64

TABLA 3.6. RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DEL ESTÁNDAR 80 DE IEEE[1]. ... 83

TABLA 3.7. RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LA NRF-011-CFE[2]. ... 84

TABLA 3.7.(CONTINUACIÓN)RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE LA NRF-011-CFE[2]. ... 85

TABLA 3.8. RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL MANUAL DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DE COMPAÑÍA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. ... 86

TABLA 3.8.(CONTINUACIÓN)RESULTADOS OBTENIDOS DE ACUERDO CON EL MANUAL DE DISEÑO DE SUBESTACIONES DE COMPAÑÍA DE LUZ Y FUERZA DEL CENTRO [11]. ... 87

TABLA 4.1. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL EQUIPO DE MEDICIÓN SELECCIONADO PARA LA MEDICIÓN DE RESISTENCIA A TIERRA [9]. ... 119

TABLA 4.2. VALORES DE RESISTENCIA DE CONTACTO ENTRE DIFERENTES ELEMENTOS DE LA SUBESTACIÓN. ... 120

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GLOSARIO

Acoplamiento.- El acoplamiento se puede definir como el medio por el cual una tensión o corriente en un circuito produce (de manera directa o a través de inducción) una tensión o corriente en otro circuito diferente. El acoplamiento de interferencia es un acoplamiento no intencional entre circuitos, que produce una respuesta no deseada en uno de los circuitos que intervienen en el acoplamiento

Armónica.- Una armónica puede definirse como “una componente senoidal de una onda periódica o de una cantidad que tiene frecuencia que es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental del sistema”. Las armónicas pueden entonces conceptualizarse como tensiones y/o corrientes que existen en un sistema eléctrico para algunos múltiplos de la frecuencia fundamental.

Armónica “triplen”.- Armónicas del orden tres y sus múltiplos, ej. 3a, 9a, 15a, 21a. Conector: Los conectores son los elementos que permiten unir todo el sistema de Puesta a Tierra y deben tener la capacidad de soportar altas corrientes, esfuerzos electromecánicos y sobrecalentamientos.

Compactación.- La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de suelo son obligadas a estar más en contacto las unas con las otras, mediante una reducción del índice de vacíos, empleando medios mecánicos, lo cual se traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles.

Compensador estático de VARS.- Un compensador estático de vars se emplea para compensar potencia reactiva usando un control de la magnitud de la tensión en un bus particular de un sistema eléctrico de potencia.

Corriente simétrica de falla a tierra.- Representa el valor RMS de la componente simétrica en el primer medio ciclo de una onda de corriente que se desarrolla después del instante de una falla en un tiempo cero.

Crosstalk.- Cuando se transmite CA o un pulso de CD en un par o múltiples pares de cable trenzados, existe una tendencia de la señales a ser superpuestas en señales que están siendo transmitidas en pares trenzados adyacentes debido a un combinación de acoplamiento capacitivo e inductivo. En otras palabras, crosstalk es el traspaso no deseado de una señal de un circuito a otro.

EPR (GPR por sus siglas en ingles): Tensión máxima que alcanza la malla del Sistema de Puesta a Tierra de la subestación respecto a una tierra lejana.

Estado higrométrico.- Es la humedad relativa del aire, la relación entre el vapor de agua realmente contenido en el aire.

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GLOSARIO

Factor “K”.- El factor k es un término común en la industria con el que se conoce la cantidad de armónicas producida por una carga dada. Entre mayor sea el factor k, mayor es la presencia de armónicas. Las cargas lineales por ejemplo, tienen un factor k=1. Los transformadores estarán denominados con un valor de Factor K por definir su capacidad de tolerar el calor adicional por generado por corrientes armónicas.

Factor de reflexión.- En el modelo heterogéneo de las dos capas, el factor de reflexión K define los cambios abruptos de la resistividad en la frontera de ambas capas 1 y 2. Este factor de reflexión varía entre los límites –1 y +1. Un suelo con cambios extremos en los valores de resistividad, tendrá asociado un factor de reflexión cercano a la unidad. Mientras que un suelo con valores de resistividad similares tendrá asociado un factor de reflexión cercano al cero.

Filtro.- Los filtros son elementos cuya impedancia varía con la frecuencia, se utilizan para bloquear o atrapar la energía de los armónicos de tal manera que no fluya por los equipos o que no entre al sistema.

Filtro activo.- Son aquellos que emplean dispositivos activos, (por ejemplo los transistores o los amplificadores operacionales, junto con elementos R L C.) para producir corrientes armónicas iguales a las que se encuentran en la corriente de carga, asegurando que su trayectoria sea la de sacar las corrientes armónicas fuera de la trayectoria del sistema.

Filtro pasivo.- Son aquellos tipos de filtros formados por combinaciones serie o paralelo de elementos resistivos (R), inductivos (L) o capacitivos (C).Son elementos puramente pasivos, usados como circuitos en paralelo en la entrada de los servicios con problemas de generación de armónicas, evitando de esta manera que entren al sistema de distribución.

Gradiente de potencial: Vector que se encuentra normal a una superficie o curva en el espacio a la cual se le está estudiando, en un punto cualquiera, llámese (x,y), (x,y,z), (tiempo, temperatura), etc. El gradiente normalmente denota una dirección en el espacio según la cual se aprecia una variación de una determinada propiedad o magnitud física.

Granulometría.- Es la medición de los granos de una formación sedimentaria y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica.

Interferencia.- Interferencia es cualquier perturbación eléctrica o electromagnética extraña que (1) tiende a alterar la recepción de las señales deseadas o (2) produce respuestas indeseables en un circuito o sistema.

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Material superficial: Material instalado encima del suelo, el cual consiste (sin ser limitativo) en roca triturada, asfalto o algún material hecho por el hombre. El material superficial, dependiendo de su resistividad, puede impactar significativamente en la corriente a través del cuerpo para tensiones de paso y contacto involucrando los pies de la persona.

Potencial de malla: Máxima tensión de contacto que puede ocurrir en el reticulado de la malla del SPT. El potencial de malla se presenta siempre al centro de la misma.

Resistencia a tierra de la malla del Sistema de Puesta a Tierra: Es la resistencia óhmica entre la malla y un electrodo de tierras remoto de resistencia cero.

Resistividad aparente del suelo.- Se denomina resistividad aparente ( ) debido a que siempre se puede calcular, solo se necesita conocer la localización de los electrodos de prueba, la tensión y la corriente aplicados. Sin embargo la tierra no tiene una resistividad constante, la resistividad varía con la trayectoria vertical y horizontal, de este modo, la resistividad calculada no representa la verdadera resistividad del suelo, de ahí el término de resistividad aparente.

Resistividad del suelo.- La resistividad eléctrica o resistencia específica del suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitarias.

RTD.- Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan

Ruido eléctrico en modo común.- El ruido en modo común es el ruido eléctrico que ocurre sobre todos los conductores de un circuito eléctrico en el mismo instante. Esto es, una señal de tensión presente entre el punto de referencia a tierra local y cada uno de los conductores de alimentación incluyendo el neutro. El ruido en modo común ocasiona que fluya una corriente simultáneamente en todos los conductores de un circuito, utilizando generalmente el sistema de puesta a tierra como trayectoria de retorno para cerrar el circuito.

Ruido eléctrico en modo normal.- El ruido en modo normal es el ruido eléctrico que aparece en la forma de señales de tensión entre una línea y otra y entre cualquier línea y neutro. Esta condición provoca la circulación de corrientes entre dos conductores cualesquiera que pueden estar o no aterrizados. El ruido en modo normal se le conoce también como ruido en modo diferencial.

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GLOSARIO

pueden controlar remotamente distintos elementos primarios de la subestación (interruptores, seccionadores, etc.)

SICLE.- El Sistema de Información y Control Local de Estación (SICLE), se usa para conformar el sistema integrado de protección, y medida de las subestaciones.

Sistema de alimentación ininterrumpida (UPS por sus siglas en ingles).- Un UPS es una fuente de suministro eléctrico que posee una batería con el fin de seguir dando energía a un dispositivo en el caso de interrupción eléctrica.

Sistema de puesta a tierra (SPT): Comprende el conjunto de elementos interconectados, enterrados en el suelo dentro de un área específica, como electrodos horizontales (conductores desnudos), verticales (varillas de tierra)

Tensión de contacto metal con metal: Es la diferencia de potencial entre objetos metálicos o estructuras dentro de una subestación que se presenta a través del contacto humano.

Tensión de contacto: Diferencia de potencial entre el EPR y el potencial máximo en la superficie del suelo donde se encuentre una persona tocando con una o ambas manos una estructura metálica o cualquier elemento conductor directamente unido a la red de tierra.

Tensión de paso: Diferencia de potencial máxima que se aplicará a una persona entre sus pies, cuando en el instante de una falla se encuentre caminando en un área con una diferencia de potencial en la superficie. Prácticamente la tensión de paso es aquella que existe entre dos puntos separados un metro sobre la superficie del suelo.

Tensión transferida: Caso especial de tensión de contacto donde una tensión es transferida hacia dentro o hacia fuera de la subestación.

Termocople.- Un termocople básicamente es un transductor de temperaturas, es decir un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica.

Tierra: Conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra.

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ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS °C. Grado Celsius

3Io Corriente simétrica de falla a tierra en la subestación para el dimensionamiento

del conductor

A Área total encerrada por la red de tierras,

A. Ampere.

CA. Corriente alterna. CD. Corriente directa. cm. Centímetro

Cs Factor de decremento de la capa superficial,

d Diámetro del conductor de la rejilla para tierra,

D Espaciamiento entre conductores paralelos,

Df Factor de decremento para determinar IG.

Econtacto70 Tensión de contacto tolerable para unja persona de 70 kg,

Econtacto50 Tensión de contacto tolerable para una persona de 50 kg,

Epaso70 Tensión de paso tolerable para una persona de 70 kg,

Epaso50 Tensión de paso tolerable para una persona de 50 kg,

Es Tensión de paso superficial que puede experimentar una persona con los pies separados a 1m de distancia y sin hacer contacto con algún objeto aterrizado

h profundidad de enterramiento de los conductores del sistema de puesta a tierra,

hs Profundidad de la capa superficial, Hz. Hertz.

Ib Magnitud de la corriente que fluye por el cuerpo humano.

IB Magnitud de la corriente tolerable por el cuerpo humano.

Ig Corriente simétrica de la malla,

IG Máxima corriente que fluye entre el Sistema de Puesta a Tierra y la tierra circundante (incluyendo la componente de CD).

K Factor de reflexión entre diferentes resistividades aparentes del suelo Kg. Kilogramo

Kh Factor de corrección por la profundidad de enterramiento de la malla.

Ki Factor de corrección por la geometría de la malla.

Kii Factor de corrección que ajusta los efectos de conductores en la esquina de la malla.

Km Factor de espaciamiento para el potencial de la malla.

K Factor de espaciamiento para la

KV. Kilovolt L. Longitud.

LC Longitud total del conductor de la red del sistema de puesta a tierra.

LM Longitud efectiva de LC+LR para el potencial de malla.

Lr Longitud de una varilla de tierra. LR longitud total de las varillas de tierra. LS Longitud efectiva de Lc+LR para la

diferencia de potencial de paso.

LT Longitud efectiva total del conductor del sistema de puesta a tierra, incluyendo el de la red y las varillas de tierra. Lx Longitud máxima del conductor de

tierras en la dirección X.

Ly Longitud máxima del conductor de tierras en la dirección Y.

m. Metro mA. Miliampere. mm. Milímetro.

mm2_{. Milímetro cuadrado.}

n Factor geométrico compuesto por na, nb, nc y nd.

RB Resistencia del cuerpo humano.

reactancia entre el valor de la resistencia del sistema.

Rf Resistencia a través de la tierra entre el

pie de la persona y la red de tierras energizada.

Rg Resistencia del sistema de puesta a tierra.

SB Constante empírica relacionada con la energía tolerada por un cierto porcentaje de población dada.

Sf Factor de división de la corriente de falla.

tc Duración de la corriente de falla para dimensionar el conductor de puesta a tierra,

tf Duración de la corriente de falla para determinar el factor de decremento. ts Duración de la exposición al flujo de

corriente para determinar la corriente del cuerpo permisible.

V. Volt.

VARS Volts Amperes Reactivos.

Vm Potencial de la malla en el centro de esta

VTH Tensión de Thevenin.

X/R. Cociente del resultado de dividir el valor de la reactancia entre el valor de la resistencia.

Z. Impedancia.

ZTH Impedancia equivalente de Thevenin.

Resistividad de diseño.

s Resistividad de la capa superficial de roca triturada.

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SIGLAS Y ACRÓNIMOS

ANCE Asociación de Normalización y Certificación.

ANSI American National Standards Institute.

CCL Consola de Control Local.

CFE Comisión Federal de Electricidad.

CI Consola de Ingeniería.

CLYF Compañía de Luz y Fuerza del Centro.

GPR Ground Potential Rise.

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.

NMX Norma Mexicana.

NOM Norma Oficial Mexicana.

NRF Norma de Referencia.

PC Personal Computer.

PCM Protección, Control y Medición.

RCP Reanimación Cardiopulmonar.

RMS Root Mean Square.

S.E. Subestación.

SCADA Supervisory Control And Data Adquisition.

SICLE Sistema de Información y Control Local de Estación.

SPT Sistema de Puesta a Tierra.

UL Underwriters Laboratories.

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OBJETIVO

Realizar la propuesta de diseño del Sistema de Puesta a Tierra de la Subestación Las Fresas Banco I, así como ejecutar las mediciones de resistencia a tierra del arreglo instalado.

INTRODUCCIÓN

Los sistemas de puesta a tierra son de especial importancia para el funcionamiento de los sistemas eléctricos de potencia desde el punto de vista de la seguridad del personal que labora en subestaciones eléctricas, centrales generadoras etc.

La primera guía para el diseño de sistemas de puesta a tierra de subestaciones eléctricas, basada principalmente en la experiencia y en modelos analíticos simples, apareció en 1961 como el estándar 80 de la ANSI/IEEE. Este documento, junto con sus tres revisiones principales en 1976, 1986 y 2000, ha sido la herramienta principal para el análisis y diseño de los sistemas de conexión a tierra para subestaciones.

El estándar 80 proporciona los criterios de diseño y una guía de lo que se debe considerar en el proceso de diseño de los sistemas de conexión a tierra. Además de esto, proporciona las ecuaciones de diseño para realizar los cálculos necesarios para obtener los parámetros indicativos de la seguridad de la red del Sistema de Puesta a Tierra diseñado.

Esta norma será la base para la propuesta de diseño de la red de tierras de la Subestación Las Fresas Banco I. Se adopta esta norma debido a que las dos normas mexicanas vigentes (NRF-011-CFE [2], en el caso de CFE, y Manual de diseño de subestaciones [11], en su capítulo 5 de diseño de redes de tierra, en el caso de Compañía de Luz y Fuerza del Centro) fueron realizadas tomando como base los criterios y fundamentos del estándar 80 de IEEE [1].

Es necesario mencionar que existen algunas consideraciones particulares que las normas mexicanas realizan en las formulaciones de diseño, con respecto al estándar 80 de IEEE [1], por lo cual en el punto 3.5del capítulo III de este trabajo se efectúa una comparación de resultados obtenidos utilizando el procedimiento de diseño de estándar 80 de IEEE [1], NRF-011-CFE [2], y manual de diseño de subestaciones [11] a fin de identificar las principales diferencias entre las tres normas.

(24)

OBJETIVO E INTRODUCCIÓN

La parte práctica de este trabajo está cubierta con el desarrollo de la medición de resistencia a tierra de la red de tierras de la subestación Las Fresas banco I, utilizando el método de caída de potencial descrito en la norma NMX-J-549-ANCE-2005 [3], con el objeto de comparar el valor calculado con el valor medido y verificar que la resistencia a tierra sea menor a 1 ohm para cumplir con los requerimientos del estándar 80 de IEEE [1]. A continuación se enlista un resumen del contenido de este trabajo:

Este trabajo está dividido en cinco capítulos, en el capítulo I se desarrolla el marco teórico, donde se abordan los principios fundamentales de los sistemas de puesta a tierra, se describe su función y las condiciones de seguridad que conducen a definir las ecuaciones básicas que se aplicaran en el proceso de diseño de la red del sistema de puesta a tierra.

En el capítulo II se presenta la teoría y dos métodos para medir la resistividad aparente del suelo, también se mencionan los criterios para la interpretación de los valores medidos, y como se obtiene el valor de resistividad a usarse en la etapa de diseño de la red de tierras.

En este capítulo también se describe el método de caída de potencial, usado para medir la resistencia a tierra de subestaciones convencionales, de acuerdo con lo descrito en la norma NMX-J-549-ANCE-2005 [3].

En el capítulo III se explica la metodología de cálculo que sirve de base para el diseño del Sistema de Puesta a Tierra de una subestación eléctrica, conforme a los lineamientos que indica el estándar 80 de IEEE [1].

Así mismo, se desarrolla el diseño de la red de tierras de la subestación Las Fresas Banco I.

Otro punto a desarrollar es una comparación de resultados obtenidos utilizando el procedimiento de diseño de estándar 80 de IEEE [1], NRF-011-CFE [2], y del manual de diseño de subestaciones [11]

El impacto que tienen algunos parámetros de diseño sobre los valores indicativos de la seguridad del diseño elaborado será mostrado a través de algunas gráficas obtenidas con la ayuda de una hoja de cálculo configurada con las fórmulas de diseño del estándar 80 de IEEE [1].

Otro tema a tratar en este capítulo III será el de los diferentes tipos de conectores y accesorios usados comúnmente en las redes de tierra, así como las consideraciones para su selección.

(25)

Otro rubro que se toca en el punto 3.8 del capítulo III es el papel que juega la red de tierras de la subestación ante la presencia de armónicos. Se citan las principales fuentes de corrientes armónicas, los principales efectos adversos que causan sobre los equipos, y finalmente se mencionan recomendaciones prácticas para disminuir su impacto.

En el capítulo IV se presenta el reporte de las mediciones de resistencia a tierra realizadas a la subestación Las Fresas Banco I.

(26)

(27)

CAPÍTULO I: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE POTENCIA CONVENCIONAL

1.1 DEFINICIONES [1], [4], [19]

Para mejor comprensión de los términos que se exponen en este capítulo I, a continuación se muestran algunos de los conceptos que más aparecerán a lo largo de este trabajo:

• Conector: Los conectores son los elementos que permiten unir todo el sistema de Puesta a Tierra y deben tener la capacidad de soportar altas corrientes, esfuerzos electromecánicos y sobrecalentamientos.

• EPR (GPR por sus siglas en ingles): Tensión máxima que alcanza la

malla del Sistema de Puesta a Tierra de la subestación respecto a una tierra lejana. Ver figura 1.2.

• Gradiente de potencial: Vector que se encuentra normal a una superficie o

curva en el espacio a la cual se le está estudiando, en un punto cualquiera, llámese (x,y), (x,y,z), (tiempo, temperatura), etc. El gradiente normalmente denota una dirección en el espacio según la cual se aprecia una variación de una determinada propiedad o magnitud física. [19]. Ver figura 1.2.

• Malla del Sistema de Puesta a Tierra: Conjunto de electrodos

horizontales, el cual consiste en un cierto número de conductores desnudos enterrados en el suelo, proporcionando una tierra común para equipos eléctricos o estructuras metálicas, usualmente en un área común. Ver figura 1.1.

• Material superficial: Material instalado encima del suelo, el cual consiste

(sin ser limitativo) en roca triturada, asfalto o algún material hecho por el hombre. El material superficial, dependiendo de su resistividad, puede impactar significativamente en la corriente a través del cuerpo para tensiones de paso y contacto involucrando los pies de la persona. Ver figura 1.5.

• Potencial de malla: Máxima tensión de contacto que puede ocurrir en el

reticulado de la malla del SPT. El potencial de malla se presenta siempre al centro de la misma. Ver figuras 1.2 y 1.4.

• Resistencia a tierra de la malla del Sistema de Puesta a Tierra: Es la

resistencia óhmica entre la malla y un electrodo de tierras remoto de resistencia cero. Ver figura 1.4.

• Resistividad del suelo: La resistividad eléctrica o resistencia específica del

(28)

• Sistema de puesta a tierra (SPT): Comprende el conjunto de elementos

interconectados, enterrados en el suelo dentro de un área específica, como electrodos horizontales (conductores desnudos), verticales (varillas de tierra), etc. Ver figura 1.1.

• Tierra: Conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de

la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra.

• Tensión de contacto: Diferencia de potencial entre el EPR y el potencial

máximo en la superficie del suelo donde se encuentre una persona tocando con una o ambas manos una estructura metálica o cualquier elemento conductor directamente unido a la red de tierra. Ver figura 1.2.

• Tensión de paso: Diferencia de potencial máxima que se aplicará a una

persona entre sus pies, cuando en el instante de una falla se encuentre caminando en un área con una diferencia de potencial en la superficie. Prácticamente la tensión de paso es aquella que existe entre dos puntos separados un metro sobre la superficie del suelo. Ver figuras 1.2 y 1.4.

• Tensión transferida: Caso especial de tensión de contacto donde una

tensión es transferida hacia dentro o hacia fuera de la subestación. Ver figura 1.4.

[image:28.612.153.463.468.674.2]

• Tensión de contacto metal con metal: Es la diferencia de potencial entre objetos metálicos o estructuras dentro de una subestación que se presenta a través del contacto humano. Ver figura 1.4.

(29)

[image:29.612.196.413.410.647.2]

Figura 1.2 Dibujo en tres dimensiones mostrando los gradientes de potencial en la superficie del suelo originados por la inyección de una corriente al arreglo de

la figura 1.1. También se ilustran algunos conceptos mencionados previamente.

Figura 1.3 Dibujo en planta mostrando los gradientes de potencial en la superficie del suelo originados por la inyección de una corriente al arreglo de la figura

1.1.

P

er

fil

d

e

po

te

nc

ia

l (

%

R

ef

er

en

ci

a

G

P

R

)

Distancia desde el origen del perfil (m) GPR

Potencial de malla Tensión de

contacto

Gradiente de potencial Tensión de paso

Pasos de 1 m.

E

je

Y

(m

)

Eje X (m)

(30)

Figura 1.4 Alzado mostrando las diferencias de potencial riesgosas. [1]

Figura 1.5 Alzado mostrando la representación de la capa de material superficial usada para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de

las personas.

Figura 1.6. Diagrama simplificado para entender el concepto de resistividad del suelo, como la resistencia de un volumen con sección transversal A y longitud

L unitarias. [5].

(31)

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA [1]

Durante condiciones típicas de falla a tierra, el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potencial dentro y alrededor de una subestación o instalación eléctrica (ver figuras 1.2 y 1.3). A menos que se tomen precauciones apropiadas en el diseño, los gradientes de potencial máximos a lo largo de la superficie del terreno pueden ser de suficiente magnitud durante las condiciones de falla a tierra como para poner en peligro a una persona que se encuentre en el área. Además, se pueden desarrollar diferencias de potencial peligrosas entre las estructuras de equipos que están aterrizados y la tierra cercana.

Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por electrocución son:

• Corrientes de falla a tierra relativamente altas en el área del sistema de

tierra y su resistencia con respecto a una tierra remota.

• La resistividad del suelo y la distribución de las corrientes que hacen

posibles altos gradientes de potencial en los puntos de la superficie del terreno.

• La presencia de un individuo en un punto, tiempo y posición determinados

en los cuales el cuerpo haga un puente entre dos puntos con una diferencia de potencial alto.

• La ausencia de una resistencia de contacto suficiente u otra resistencia en

serie para limitar la corriente a través del cuerpo a un valor seguro bajo las circunstancias anteriores.

• La duración de la falla y el contacto con el cuerpo, y por lo tanto, el flujo de

(32)

1.3 CONSIDERACIONES SOBRE SEGURIDAD [1] 1.3.1 La seguridad como elemento primordial

La seguridad eléctrica es el asunto predominante en el diseño eléctrico. Cualquier otro aspecto debería ser de importancia secundaria. La seguridad está básicamente gobernada por los códigos eléctricos (normas) y estándares adoptados por las autoridades gubernamentales, entidades comerciales, y por el buen juicio de parte del diseñador.

Es aquí donde el diseñador juega un papel importante en la selección de la mejor alternativa para cumplir con los requisitos de seguridad normativos. Cuando el diseñador se encuentre con más de un diseño alternativo que sea seguro, se deberá adoptar aquel que sea marcado como obligatorio por la autoridad gubernamental que tenga jurisdicción al respecto. El siguiente en prioridad deberá ser el que no siendo un requerimiento gubernamental, constituye un estándar interno o las indicaciones del fabricante o suministrador.

En principio, un diseño seguro de conexión a tierra tiene dos objetivos:

• Proporcionar los medios para conducir las corrientes eléctricas a tierra bajo

condiciones normales y de falla sin exceder algún límite de operación o de los equipos, o afectar la continuidad del servicio.

• Asegurar que una persona que se encuentre en la vecindad de una

instalación puesta a tierra no sea expuesta al peligro de electrocución.

En una aproximación práctica, en el diseño seguro de un sistema de puesta a tierra se debe controlar la interacción de 2 sistemas de tierra:

• La tierra intencional, consistente en electrodos de tierra enterrados en el

suelo

• La tierra accidental temporal, que se establece a través de una persona

expuesta a un gradiente de potencial en las cercanías de la instalación puesta a tierra.

La gente generalmente asume que cualquier objeto puesto a tierra puede ser tocado seguramente.

Una resistencia baja a tierra no es en sí una garantía de seguridad, no existe una relación simple entre la resistencia del sistema de puesta a tierra en conjunto y el potencial máximo de choque que pueda sufrirse.

(33)

1.4 EFECTOS DE LA CORRIENTE [1]

Los efectos de una corriente eléctrica que pase a través de partes vitales del cuerpo humano, dependen de la duración, magnitud, y frecuencia de ésta corriente. La consecuencia más peligrosa ante tales efectos es una afección del corazón conocida como fibrilación ventricular con la resultante parálisis de la circulación de sangre.

1.4.1 Efecto de la frecuencia

Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente eléctrica a frecuencias de 50 o 60 Hz. Las corrientes de aproximadamente 0.1 A pueden ser letales. Los reglamentos generalmente establecen que el cuerpo humano puede tolerar una corriente ligeramente mayor a 25 Hz y aproximadamente 5 veces más grande en corriente directa. A frecuencias de 3000 a 10,000 Hz, se pueden tolerar corrientes aún mayores. En algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy elevadas debidas a descargas atmosféricas.

1.4.2 Efecto de la magnitud y duración

Los efectos fisiológicos más comunes de la corriente eléctrica en el cuerpo, establecidos en orden ascendente en cuanto a la magnitud de la corriente, son la percepción, contracción muscular, inconsciencia, fibrilación del corazón, paro respiratorio y quemaduras.

Una corriente de 1 mA generalmente se reconoce como el umbral de la percepción, esto es, la magnitud de una corriente a la cual una persona es capaz de detectar una ligera sensación de cosquilleo en sus manos o dedos debido al paso de la corriente.

Las corrientes de 1 a 6 mA, conocidas generalmente como corrientes de soltar, aunque sea desagradable tolerarlas, por lo regular no impiden la capacidad de una persona que sostiene un objeto energizado para controlar sus músculos y soltar el objeto. Un nivel promedio para la corriente de soltar, proporcionada por Dalziel, es de 10.5 mA para mujeres y 16 mA para hombres, los niveles de 6 y 9 mA se establecen como los valores respectivos de la corriente de umbral.

En un rango de 9 a 30 mA, las corrientes pueden llegar a ser dolorosas y pueden hacer difícil o imposible soltar los objetos energizados asidos con las manos. Para corrientes aún mayores las contracciones musculares podrían dificultar la respiración.

(34)

No es hasta magnitudes de corriente en el rango de 60 a 100 mA en que la fibrilación ventricular, un paro cardiaco, o la inhibición de la respiración, pueden provocar daños severos e incluso la muerte. Una persona entrenada en resucitación cardiopulmonar (RCP) tendría que administrar RCP hasta que la víctima pudiera ser atendida en una instalación médica.

La intención de conocer los efectos de las corrientes en el cuerpo humano es determinar el umbral de las corrientes que producen fibrilación para diseñar un Sistema de Puesta a Tierra en donde los valores se mantengan por debajo de éste umbral.

La corriente de magnitud IB y rango de duración 0.03 a 3 segundos que no

produce fibrilación, está relacionada con la energía absorbida por el cuerpo y se describe en la siguiente ecuación:

s 2 B

B

(I

)

t

S

=

⋅

1.1

Donde:

IB Magnitud RMS de la corriente que fluye por el cuerpo

ts Duración de la exposición al flujo de corriente, en segundos

SB Constante empírica relacionada con la energía tolerada por un cierto porcentaje de la población dada.

1.4.3 Importancia de la eliminación rápida de fallas

Considerando la importancia de la duración de la falla implícita como un factor de exposición a los accidentes, la eliminación rápida de fallas a tierra es aconsejable por dos razones:

• La probabilidad de electrocución se reduce enormemente al eliminar

rápidamente la falla, en comparación a las situaciones en las cuales las corrientes de falla pueden persistir por varios minutos o posiblemente horas.

• Pruebas efectuadas y la experiencia han demostrado que la posibilidad de

daño severo o la muerte se reduce enormemente si la duración de un flujo de corriente a través del cuerpo es muy breve.

El valor de corriente permitido se puede basar por lo tanto en el tiempo de activación de los dispositivos primarios de protección, o de los de la protección de respaldo.

(35)

Latido del corazón, pero el peligro es mucho menor si el tiempo de exposición está en el intervalo de 0.06 a 0.3 s.

1.5 LÍMITES DE CORRIENTE TOLERABLE [1]

La magnitud y duración de la corriente que circula por el cuerpo humano deberá ser menor que aquella que cause fibrilación ventricular. La duración para la cual una corriente de 50 o 60 Hz. puede ser tolerada por la mayoría de las personas, está relacionada con su magnitud, de acuerdo con la ecuación 1.1.

De estudios realizados se supone que el 99.5 % de las personas pueden soportar de manera segura, sin fibrilación ventricular, el paso de una corriente en magnitud y duración, determinada por la siguiente fórmula:

s B

t

K

I

=

_1.2

Donde, en los términos previamente definidos por la ecuación 1.1:

B

S

K

=

La energía que puede soportar el 99.5% de las personas con un peso aproximado de 50 kg (110 lb) da como resultado un valor de SB=0.0135, entonces K50=0.116 y

la fórmula para la corriente permisible en el cuerpo es:

s B

t

0.116 I

=

_1.3

La constante 0.0135 es una constante de energía, derivada empíricamente. (Dalziel encontró que la energía de electrocución a la que sobreviven el 99.5 % de las personas con un peso de 50 kg. tiene un valor de 0.0135).

Nótese en esta ecuación que los resultados para 1 seg. Son 116 mA y para 0.1 seg. 376 mA.

Para las personas con peso aproximado de 70 Kg. (155lb) se ha determinado un valor de SB=0.0246 Y K70=0.157 entonces la formula queda:

s B

t

0.157 I

=

_1.4

(36)

1.6 CIRCUITO DE ELECTROCUCIÓN ACCIDENTAL [1] 1.6.1 Resistencia del cuerpo humano

Para la corriente directa y para la corriente alterna a frecuencia nominal, el cuerpo humano puede representarse por una resistencia. Esta resistencia esta medida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies o entre un pie y el otro. En cualquiera de los dos casos, el valor de esta resistencia es difícil de establecer. Un valor de resistencia para el cuerpo humano es aproximadamente de 300 , aunque se ha determinado por estudios un rango entre 500 y 3000 .

Para altas tensiones y corrientes (arriba de 1 KV y 5A), la resistencia disminuye por daño o perforación de la piel en el punto de contacto.

Para fines de cálculo se han hecho las siguientes consideraciones:

• La resistencia de contacto para las manos y los zapatos es igual a cero.

• Se ha seleccionado el valor de 1000 para representar el valor de la

resistencia del cuerpo humano, de una mano a ambos pies, entre mano y mano o entre un pie y el otro, es decir: RB = 1000

1.6.2 Circuito equivalente accidental

Usando el valor de la corriente tolerable por el cuerpo humano y las constantes apropiadas del circuito, es posible determinar la tensión tolerable entre dos puntos críticos de contacto, como se muestra en la figura 1.7.

Para el análisis del circuito equivalente se aplicara la siguiente notación:

Ib Corriente en el cuerpo (el cuerpo es parte del circuito accidental) (A)

RA Resistencia efectiva total del circuito accidental ( )

(37)

U

I

I H _I

R F Z(Sistema)

Red de la subestación f

g _b

B

Figura 1.7. Exposición a la Tensión de contacto [1]

La corriente tolerable por el cuerpo humano IB definida por la ecuación 1.3 o 1.4 es

usada para definir la tensión total efectiva del circuito accidental (tensión de paso o de contacto). La tensión total efectiva tolerable del circuito accidental es aquella que producirá el flujo de corriente en el cuerpo, Ib, igual a la corriente tolerable por

el cuerpo humano, IB.

La figura 1.7 muestra la corriente de falla If, la cual será inyectada a tierra a través

del sistema de puesta a tierra de la subestación y una persona tocando la estructura metálica H.

En el circuito de la figura 1.8 se muestran varias impedancias. La terminal H es un punto en el sistema que esta al mismo potencial de la red y por el cual fluye la corriente de falla y la Terminal F es un área pequeña sobre la superficie de la tierra, donde se encuentra la persona haciendo contacto con ambos pies.

La corriente Ib fluye desde H, a través del cuerpo de la persona hacia la tierra en

F. El teorema de Thevenin permite representar estas dos terminales (H, F), en una red como la mostrada en la figura 1.8 y el circuito eléctrico mostrado en la figura 1.9.

La tensión de Thevenin VTh, es la tensión entre las terminales H y F cuando una

persona no está presente en ese punto. La impedancia de Thevenin ZTh, es la

impedancia del sistema vista desde los puntos H y F, con una fuente de tensión del sistema cortocircuitada. La corriente Ib a través del cuerpo de una persona

haciendo contacto con H y F está dada por:

B Th

Th

b

_Z

_R

V

I

+

(38)

H

R Z(Sistema)

Red

Tierra Real

F

R 2 Rm

g f

Figura 1.8. Impedancia para el circuito de la Tensión de contacto [1]

R = Resistencia del cuerpo V

Tensión de contacto

Terminal H

Terminal F = Rf

2

th

Z_th B

V_th _Z

th

Figura 1.9. Circuito de la Tensión de Contacto [1]

Donde

RB es la resistencia del cuerpo humano en .

La figura 1.10 muestra la corriente de falla If, la cual será inyectada a través del

sistema de puesta a tierra de la subestación. La corriente Ib fluye desde un pie F1a

través del cuerpo de una persona hacia el otro pie F2. Las terminales F1 y F2 son

las áreas sobre la superficie de la tierra donde los pies están haciendo contacto con la tierra respectivamente. El teorema de Thevenin permite representar estas dos terminales (F1, F2), en una red como la mostrada en la figura 1.11 La tensión

de Thevenin VTh es la tensión entre las terminales F1 y F2 cuando la persona no

está presente en ese punto.

La impedancia de Thevenin ZTH es la impedancia del sistema, vista desde los

puntos F1 y F2, con la fuente de tensión del sistema cortocircuitada. La corriente Ib

(39)

U

I

F Z(Sistema)

Red de la subestación I

f

g

b

1F2

Figura 1.10. Exposición a la Tensión de paso [1]

R = Resistencia del cuerpo

V

Tensión de paso

Terminal F

= 2Rf th

Z_th B

V_th _Z

th

1

Terminal F₂

Figura 1.11. Circuito de la Tensión de Paso [1]

La impedancia equivalente de Thevenin ZTh para la tensión de contacto del circuito

accidental será:

1.6

Y para la tensión de paso del circuito accidental:

f Th

2R

Z

=

1.7

Donde:

Rf es la resistencia de un pie (con la presencia del SPT de la subestación

ignorado) en .

2 R

Z

f

(40)

Nótese que la resistencia del pie no es la resistencia del pie de la persona, es la resistencia de la tierra debajo del pie.

La resistencia del pie (Rf) se define como la resistencia a través de la tierra entre

el pie de la persona y el SPT energizado. Hay una gran porción de la resistencia del pie concentrada en el suelo cercano al pie, por lo que para propósitos prácticos, el efecto de la configuración del SPT en la resistencia del pie se ignora. Como resultado de esto, la resistencia del pie a ser usada para determinar la tensión máxima aceptable de paso y contacto es una función solamente de la resistividad del terreno cerca de la superficie de la tierra.

Para propósito de análisis de circuitos, el pie del cuerpo humano se considera como un disco metálico conductivo, y la resistencia de contacto de los calcetines y zapatos, etc. son despreciables. La resistencia a tierra de un disco metálico de radio b (m) sobre la superficie de un terreno homogéneo, de resistividad en -m está dada por Laurent, siendo esta:

4b

R_f = 1.8

Tradicionalmente, el disco metálico representando al pie es tomado como una placa circular de radio 0.08m. Bajo este modelo, la resistencia de los pies en términos de la resistividad del terreno cerca de la superficie es aproximadamente 3 . Si la resistencia mutua entre los dos pies se desprecia, entonces:

Para la tensión de contacto del circuito accidental:

( )

3

1.5

0.5 Z

_Th

=

1.9

ZTh es la resistencia en paralelo de los pies.

Para la tensión de paso del circuito accidental:

( )

3

6

2 Z

_Th

=

1.10

ZTh es la resistencia en serie de los pies.

Basados en las investigaciones, las ecuaciones 1.6 y 1.7 son conservadoras.

La tensión total equivalente permisible (tensión de contacto y tensión de paso), usando las ecuaciones 1.9 y 1.10 son:

)

1.5 (R

I

E

_contacto

=

_B _B

+

1.11

Y:

)

6.0 (R

I

(41)

1.7 EFECTO DE UNA CAPA DELGADA DE MATERIAL SUPERFICIAL [1]

La ecuación 1.8 está basada en la suposición de un suelo uniforme. Una capa de 0.08m a 0.15m de material de alta resistividad, s, como grava, a menudo se

distribuye en la superficie de la tierra arriba de la red del sistema de puesta a tierra para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación, como se muestra en la figura 1.12.

La profundidad superficial relativa del material superficial, comparada con el radio equivalente de los pies, excluye la suposición de una resistividad uniforme en la dirección vertical cuando se calcula la resistencia de los pies.

Para una persona en el área de la subestación, se puede asumir el material superficial de extensión ilimitada en dirección lateral.

La corriente a través del cuerpo se disminuirá considerablemente con la adición del material aislante por la gran resistencia de contacto entre la tierra y los pies. La reducción depende de los valores relativos de las resistividades del suelo y del material superficial, así como del grosor de dicho material superficial.

La ecuación 1.13 proporciona el valor de Cs, el cual es considerado como un factor

correctivo para calcular la resistencia efectiva de los pies en la presencia de un grosor finito de material superficial, hs.

1.13

Figura 1.12. Alzado mostrando la representación de la capa de material superficial usada para incrementar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de

las personas.

+ − −

=

0.09 2h

1 0.09 1

C

s

(42)

1.8 CRITERIO DE TENSIONES DE SEGURIDAD [1]

La seguridad de una persona depende de la prevención de la cantidad crítica de energía absorbida antes de que la falla se elimine y el sistema sea desenergizado.

Los límites máximos de tensión de cualquier circuito accidental no deberían exceder los límites definidos a continuación.

1.8.1 Tensión de paso

La tensión de paso está definida como:

La diferencia de potencial máxima que se aplicará a una persona entre sus pies, cuando en el instante de una falla se encuentre caminando en un área con una diferencia de potencial en la superficie.

Prácticamente la tensión de paso es aquella que existe entre dos puntos separados un metro sobre la superficie del suelo.

Para la tensión de paso el límite es:

B f B

paso

(R

2R

)

I

E

=

+

⋅

1.14

Para personas de 50 Kg:

(

)

s s s paso

t 0.116 6C

1000

E ₅₀ = + 1.15

(

)

s s s paso

t 0.157 6C

1000 E

70 = + 1.16

Donde:

s resistividad del terreno (se toma como 3000 -m cuando se usa roca

triturada).

(43)

1.8.2 Tensión de contacto

La tensión de contacto está definida como:

La diferencia de potencial entre el EPR y el potencial máximo en la superficie del suelo donde se encuentre una persona tocando con una o ambas manos una estructura metálica o cualquier elemento conductor directamente unido a la red de tierra.

La ecuación que define el valor límite está dada como:

B f B

contacto ) I

2 R (R

E = + ⋅ 1.17

(

)

s s s contacto

t 0.116 1.5C

1000

E ₅₀ = + 1.18

(

)

s s s contacto

t 0.157 1.5C

1000

E ₇₀ = + 1.19

Donde:

s Resistividad del material de la capa superficial, en Ω-m.

ts Duración de la exposición al flujo de corriente, en segundos.

Cs Factor de reducción por degradación del valor nominal de la resistividad de

(44)

(45)

CAPÍTULO II: RESISTIVIDAD APARENTE DEL SUELO Y PRINCIPIOS DE RESISTENCIA A TIERRA PARA SUBESTACIONES ELÉCTRICAS CONVENCIONALES

2.1 RESISTIVIDAD DEL SUELO [4]

La resistencia que presenta un terreno está en función de la resistividad del mismo y de las dimensiones y la forma del electrodo, y aunque se considere la tierra como un conductor de ilimitada conductancia por sus grandes dimensiones, no puede asumirse que las "conexiones" que a ella se efectúen mediante electrodos (conseguidas de una forma bien distinta a la que se utiliza de manera común, y en donde falta la presión externa entre los dos medios a interconectar) tengan esa misma propiedad, ya que cualquiera que sea la forma que presenten, ofrecerán una resistencia definida al paso de la corriente y, en muchos casos, resultará difícil obtener una puesta a tierra de baja resistencia.

Como definición, la resistividad eléctrica o resistencia específica del suelo, es la resistencia de un volumen que tenga un área con sección transversal y longitud unitarias, como se ilustra en la figura 2.1.

Figura 2.1. Diagrama simplificado para entender el concepto de resistividad del suelo, como la resistencia de un volumen con sección transversal A y longitud

L unitarias [5].

De la ecuación:

A L

R= 2.1

Despejando:

m ohms ohms

A

R m

(46)

Donde:

= Resistividad del suelo en Ohms-metro (Ω-m) R = Resistencia en Ohms (Ω)

A = Área de la sección transversal en m2 L = Longitud en m.

2.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTIVIDAD DEL SUELO [4]

La conductividad eléctrica de los materiales que constituyen la superficie de la tierra es muy baja comparada con la alta conductividad de los metales.

Esto se explica al analizar la composición y propiedades del suelo. En general, existen dos elementos principales en la tierra, óxido de silicio y óxido de aluminio, que en realidad son excelentes aisladores, y la conductividad de la tierra se debe en gran medida a las sales y humedad contenidas en estos aisladores.

Debido a esto, la tierra se considera como un aislador imperfecto.

No obstante estas condiciones, el suelo puede conducir una cantidad de corriente considerable debido a que la sección transversal de éste es suficientemente grande, y prácticamente se puede decir que no presenta limitaciones.

Todo ello hace que la resistividad sea muy variable de un lugar a otro aún dentro de un mismo sitio. En general, los factores que modifican la resistividad del terreno pueden resumirse en los siguientes:

• La composición.

• El estado higrométrico.

Es la humedad relativa del aire, la relación entre el vapor de agua realmente contenido en el aire.

• La granulometría.

Es la medición de los granos de una formación sedimentaria y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica.

(47)

• La compactación.

La compactación de suelos es el proceso artificial por el cual las partículas de suelo son obligadas a estar más en contacto las unas con las otras, mediante una reducción del índice de vacíos, empleando medios mecánicos, lo cual se traduce en un mejoramiento de sus propiedades ingenieriles.

El grado de compactación altera el valor de la resistividad, debido al grado de unión de los granos, cuando la compactación del terreno es grande, la resistividad disminuye.

• La temperatura. La resistividad del terreno aumenta al disminuir la

temperatura, como se aprecia en la figura 2.2.

Figura 2.2 Resistividad del suelo en función de la temperatura. T e m p e ra tu ra e n g ra d o s c e n tig ra d o s

R

es

is

tiv

id

ad

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el

s

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oh

m

-m

et

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M a rg a A rc illo s a 1 5 .2 % d e

(48)

26 1_{En química, la concentración de una disolución}_{es la proporción o relación que hay entre la cantidad de}

• Las sales solubles y su concentración, como se muestra en la figura 2.3 (Al

aumentar la salinidad del terreno, disminuye la resistividad).

Figura 2.3. Resistividad del suelo en función de la concentración1 de sales disueltas [4].

El contenido de sales produce una menor resistividad intergranular, lo cual permite circular corrientes con mayor facilidad y además, la sal (NAcl) es un material que absorbe con facilidad la humedad (higroscópico) al igual que el cemento y el carbón vegetal. Ver figura 2.4.

C lo ru ro s ó d ico S u lfa to só d ico S u lfa to d e C o b re

P o rce n ta je d e la so lu ció n a 2 0 ° C

-m % 5 0 3 0 1 0 5 2 1

0 .1 6 0 .1 4 0 .1 0 0 .0 8 0 .0 4 0 .0 2

Figura 2.4. Resistividad del suelo en función del tipo de sales [4].

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 5 10 15

R es is ti vi d ad ( -m )