SISTEMA DE TIERRAS APLICADO A UNA SUBESTACION ELECTRICA DE POTENCIA 230/23KV

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA

MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SISTEMA DE TIERRAS APLICADO A UNA

SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE POTENCIA 230/23 kV.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

RICARDO HERNÁNDEZ HERNÁNDEZ

CARLOS ADÉN MEDINA MARTÍNEZ

JUAN JOSÉ RABANAL ALCÁNTARA

ASESOR: ING. JORGE LEÓN SÁNCHEZ BLANCO

AGRADECIMIENTOS



A Dios por llenarme de dicha, bendiciones y por permitirme llegar hasta este

momento tan importante de mi carrera y lograr otra meta más en mi vida.



A mis padres Ana María y Arturo porque gracias a su cariño, guía y

apoyo he llegado a realizar uno de los anhelos más grandes de mi vida, fruto

del inmenso amor y confianza que en mi depositaron y con los cuales he

logrado terminar mis estudios profesionales que constituyen el legado más

grande que pudiera recibir y por lo que les viviré eternamente agradecido.



A mi hermano Arturo por su comprensión y confianza, haciéndole saber que

mis logros son también suyos, hago de este un homenaje y quiero compartirlo

por siempre con él.



A mi mama Luz, a mis hermanos, Héctor y Daniel, tíos y amigos por el

cariño y confianza que me brindaron en todo momento, pero sobre todo, por

estar cada uno a su manera, respaldándome para alcanzar mis objetivos.



A mis maestros y compañeros de la gloriosa ESIME Zacatenco que

compartieron conmigo sus conocimientos y su gusto por la electricidad.

Especialmente al Ing. Jorge León Sánchez Blanco quien nos brindó todo su

apoyo para la realización de esta tesis.

Gracias

AGRADECIMIENTOS

A MIS PADRES

Dedico la presente como agradecimiento al apoyo brindado durante estos años de estudio y como un reconocimiento de gratitud.

A MI PADRE EN ESPECIAL

Por el cariño y apoyo que siempre me ha brindado, con el cual he logrado culminar mi esfuerzo, terminando así mi carrera profesional, que significa para mí la mejor prueba de cariño y lo mejor que me pudo haber otorgado.

A MIS FAMILIARES

Sabiendo que jamás encontraré la forma de agradecer su constante apoyo y confianza, sólo espero que comprendan que mis ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos e inspirados en ustedes.

A NUESTRO ASESOR

Ing. Jorge León Sánchez Blanco por apoyarnos para la realización de este trabajo, ya que sin su ayuda no habríamos podido alcanzar este logro.

A MI ESCUELA

ESIME ZACATENCO por brindarme una formación profesional y prepararme para la vida actual.

GRACIAS

AGRADECIMIENTOS

A Dios:

Por darme salud y el amor de mis padres.

A mi Madre: Por estar en cada momento a mi lado, por su apoyo incondicional que es mayor cada

día, pero sobre todo por ser mi madre; a ti gracias,

Lic. Josefina Alcántara Mondragón.

A mis Padres: Por guiarme en el camino correcto y darme todo su amor, comprensión y paciencia

para culminar este paso.

A mis Amigos y Familiares: Por su ayuda y confianza ya que sin su apoyo no habría podido

alcanzar este paso, en especial a Ricardo, Carlos y al ING. Jorge León

Sánchez Blanco; y también a mis hermanas Sonia y Claudia.

A mi Escuela: Al glorioso Instituto Politécnico Nacional, en especial a ESIME Zacatenco por las clases

impartidas

ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN I

II. OBJETIVO II

III. JUSTIFICACIÓN III

CAPÍTULO 1. SISTEMA DE TIERRAS 4

1.1. SISTEMA DE TIERRAS 4

1.1.1. DEFINICIÓN

1.1.2. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA

1.1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA 5 1.1.3.1. SISTEMA DE TIERRA PARA PROTECCIÓN 6 1.1.3.2. SISTEMA DE TIERRA PARA FUNCIONAMIENTO

1.1.3.3. SISTEMA DE TIERRA PARA TRABAJO 7 1.1.4. FACTORES BÁSICOS A CONSIDERAR PARA EL

DISEÑO DE UN SISTEMA DE TIERRAS

1.2. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE TIERRAS 8 1.2.1. ELECTRODOS

1.2.1.1. COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS DE TIERRA 13 1.2.1.2. CONFIGURACIÓN DE LOS ELECTRODOS 14

1.2.2. CONDUCTORES 15

1.2.2.1. MATERIAL

1.2.2.2. CALIBRE DEL CONDUCTOR 16

1.2.3. CONECTORES 19

1.2.3.1. CONECTORES A PRESIÓN 20 1.2.3.1.1. CORROSIÓN GALVÁNICA EN LAS CONEXIONES 21 1.2.3.2. CONECTORES SOLDABLES 22 1.2.3.3. BARRAS EQUIPOTENCIALES (EQUIPO DE CONEXIÓN

AUXILIAR) 24

1.3. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA 25 1.3.1. SISTEMA RADIAL

1.3.2. SISTEMA EN ANILLO

1.3.3. SISTEMA DE RED O MALLA 26

1.4. CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE TIERRAS 27 1.4.1. MÉTODO DE TRINCHERA

1.4.2. MÉTODO DEL CONDUCTOR ARADO 28 1.4.3. REGISTROS

1.4.4. INSTALACIÓN DE CONEXIONES, CONDUCTORES

1.5. ESTUDIO DEL TERRENO 30 1.5.1. RESISTIVIDAD DEL TERRENO

1.5.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD

DEL TERRENO 31

1.5.3. RESISTENCIA DE LA MALLA DE TIERRAS 33 1.5.4. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO 34 1.5.5. MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD

DEL TERRENO 35

1.5.5.1. MÉTODO WENNER

1.5.5.2. MÉTODO SCHLUMBERGER-PALMER 37 1.5.5.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIÓN DE

RESISTIVIDAD EN CAMPO 38

1.5.6. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA

DEL SISTEMA DE TIERRAS 40

1.5.6.1. MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL (62 %)

1.5.6.2. MÉTODO DIRECTO (DOS PUNTOS) 41 1.5.6.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIÓN DE

RESISTENCIA EN CAMPO 42

1.5.7. APARATOS PARA LA MEDICIÓN 43 1.5.8. MÉTODOS DE REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA

DE LA RED DE TIERRAS Y RESISTIVIDAD DEL TERRENO 44 1.5.8.1. REDUCCIÓN DE LA RESISTENCIA DE LA RED

DE TIERRA

1.5.8.2. REDUCCIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO 45 1.5.8.3. PRECAUCIONES A CONSIDERAR EN LA APLICACIÓN

DE COMPUESTOS QUÍMICOS 47

1.5.9. USO DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL 48

1.6. CORRIENTES TOLERABLES POR EL CUERPO HUMANO 49 1.6.1. RAPIDEZ DE LIBRAMIENTO DE LA FALLA 51 1.6.2. RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO 52

1.6.3. TENSIONES PELIGROSAS 53

1.6.3.1. TENSIÓN DE PASO 54

1.6.3.2. TENSIÓN DE CONTACTO 55 1.6.3.3. TENSIÓN DE CONTACTO DE METAL A METAL 57 1.6.3.4. TENSIÓN DE TRANSFERENCIA

1.6.3.5. TENSIÓN DE MALLA MÁXIMA 58 1.6.3.6. TENSIÓN DE PASO MÁXIMA 59

1.7. MANTENIMIENTO AL SISTEMA DE TIERRAS 60 1.7.1. TIPOS DE MANTENIMIENTO

CAPÍTULO 2. DISEÑO DE UN SISTEMA DE TIERRAS 63

2.1. FACTORES Y PARÁMETROS 63

2.1.1. FACTOR DE DECREMENTO 2.1.2. FACTOR DE CRECIMIENTO

2.1.3. FACTOR “Km” 64

2.1.4. PARÁMETRO “n”

2.1.5. FACTOR “Kii” 65

2.1.6. FACTOR “Kh”

2.1.7. PARÁMETRO “d” 2.1.8. FACTOR “Ki”

2.1.9. FACTOR “Ks” 66

2.2. CÁLCULO DE UN SISTEMA DE TIERRAS PARA UNA

SUBESTACIÓN DE POTENCIA. 66

2.3. DESCRIPCIÓN DE PARÁMETROS PARA EL DISEÑO 81

CAPÍTULO 3. NORMATIVIDAD DEL SISTEMA DE TIERRAS 83

3.1. DISEÑO 83

3.1.1. CARACTERÍSTICAS DEL TERRENO 3.1.1.1. RESISTIVIDAD

3.1.2. ELEMENTOS DE LA RED DE TIERRAS 3.1.2.1. CONDUCTORES

3.1.2.2. ELECTRODOS

3.1.2.3. CONECTORES 84

3.2. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS 84 3.2.1. CONSTRUCCIÓN DE LA MALLA DE TIERRAS

3.2.1.1. PROFUNDIDAD Y SEPARACIÓN DE LOS

ELEMENTOS PRINCIPALES DE LA MALLA DE TIERRAS 3.2.1.2. CONEXIÓN DE LOS ELEMENTOS 85 3.2.1.3. TRINCHERAS

3.2.2. EQUIPOS QUE SE CONECTAN A LA RED DE TIERRAS

3.2.2.1. TRANSFORMADORES 86

3.2.2.2. INTERRUPTORES Y CUCHILLAS

3.2.2.3. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TC’s) Y DE POTENCIAL (TP’s)

3.2.2.4. APARTARRAYOS

3.2.2.6. BANCOS DE CAPACITORES 3.2.2.7. TABLEROS

3.2.3. ELEMENTOS QUE SE CONECTAN A LA RED DE TIERRAS

3.2.3.1. CABLES MENSAJEROS Y RETENIDAS 88 3.2.3.2. PARTES NO CONDUCTORAS DE CORRIENTE

ELÉCTRICA

3.2.3.3. CERCAS METÁLICAS DE PROTECCIÓN

3.3. MEDICIONES DEL SISTEMA DE TIERRAS 88 3.3.1. RESISTIVIDAD

3.3.2. RESISTENCIA 89

3.4. PROTECCIÓN AMBIENTAL 89

3.5. SEGURIDAD E HIGIENE 89

CAPITULO 4. PUNTOS DE CONEXIÓN A LA RED DE TIERRAS 90

4.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIA 91 4.1.1. TANQUE DEL TRANSFORMADOR

4.1.2. NEUTRO DEL TRANSFORMADOR

4.1.3. GABINETE DE CONTROL DEL TRANSFORMADOR

4.2. INTERRUPTORES 92

4.2.1. INTERRUPTORES DE POLOS SEPARADOS 4.2.2. INTERRUPTORES CON UN SOLO CUERPO 4.2.3. GABINETE DE CONTROL DEL INTERRUPTOR 4.2.4. GABINETE AUXILIAR DEL INTERRUPTOR

4.3. CUCHILLAS 93

4.3.1. CUCHILLAS DE POLOS SEPARADOS

4.3.2. CUCHILLAS UNIDAS POR LA ESTRUCTURA

4.3.3. GABINETE DE CONTROL DE CUCHILLAS Y/O ACTUADORES

4.4. TRANSFORMAD_{ORES DE CORRIENTE (TC’s)} 94 4.4.1. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 85, 230

Y 400 kV MONTADOS EN BASES TIPO PEDESTAL 4.4.2. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 23 kV

MONTADOS EN ESTRUCTURAS 95

4.5. _{TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP’s)} 95 4.5.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 85, 230

4.5.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 23 kV

MONTADOS EN ESTRUCTURAS 96

4.6. APARTARRAYOS 96

4.6.1. APARTARRAYOS DE 85, 230 Y 400 kV 4.6.2. APARTARRAYOS DE 23 kV

4.7. BANCOS DE CAPACITORES DE 23 kV 97 4.8. BANCOS DE TIERRA DE 85 kV 97

4.8.1. TANQUE DEL TRANSFORMADOR 4.8.2. NEUTRO DEL TRANSFORMADOR

4.9. TABLEROS 98

4.10. TRAMPA DE ONDA 98

4.11. AISLADOR SOPORTE EN BASE DE CONCRETO 99 4.12. AISLADOR SOPORTE EN BASE METÁLICA 99 4.13. ESTRUCTURA DE REMATE Y/O DE PASO

CON PUNTAS, APARTARRAYOS O HILO DE GUARDA 99 4.14. ESTRUCTURA PARA SOPORTAR MUFAS DE 23 kV 100

4.15. POSTES 100

4.16. CONSIDERACIONES GENERALES 100 4.17. CONSIDERACIONES ESPECIALES PARA LA PUESTA

A TIERRA EN SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS (SF6) 102

4.17.1. PUESTA A TIERRA DE LAS ENVOLVENTES 103 4.17.2. ASPECTOS ESPECIALES EN LA PUESTA A TIERRA 104

CAPÍTULO 5. SEGURIDAD DEL PERSONAL Y EQUIPOS ELÉCTRICOS 107

5.1. SEGURIDAD DEL PERSONAL 107

5.1.1. EQUIPOS DE PROTECCIÓN 108 5.1.1.1. GUANTES DE PROTECCIÓN

5.1.1.2. CALZADO DE SEGURIDAD 109 5.1.1.3. CASCO DE PROTECCIÓN 110

5.2. PREVENCIÓN DE DAÑO AL EQUIPO 111 5.3. OPERACIÓN SATISFACTORIA DE LOS EQUIPOS

DE PROTECCIÓN 111

5.4.1. DEFINICIONES

5.4.2. COLORES DE SEGURIDAD

5.4.3. FORMAS GEOMÉTRICAS 113

5.5. PROCEDIMIENTO DE SEGURIDAD PARA TRABAJOS Y

MANIOBRAS EN INSTALACIONES DE MEDIA Y ALTA TENSIÓN 114 5.5.1. GENERALIDADES

5.5.2. EJECUCIÓN DE TRABAJOS SIN TENSIÓN 5.5.2.1. EN LOS PUNTOS DE ALIMENTACIÓN

5.5.2.2. EN EL LUGAR DE TRABAJO 115 5.5.2.3. REPOSICIÓN DEL SERVICIO

5.6. REGLAS DE ORO DE SEGURIDAD, PARA TRABAJOS

EN INSTALACIONES ELÉCTRICAS 115

5.7. RECOMENDACIONES GENERALES DE SEGURIDAD ELÉCTRICA 116

CONCLUSIÓN 117

ANEXOS 118

ÍNDICE DE FIGURAS

ÍNDICE DE TABLAS 119

DEFINICIONES 120

PLANO DE PROYECTO

INTRODUCCIÓN

Al diseñar y realizar la construcción de Instalaciones Eléctricas, una de las preocupaciones de los ingenieros de diseño y de campo es la realización de un buen sistema de tierras basado en la normatividad vigente tanto nacional como internacional.

Que pueda prevenir riesgos, causados por fallas en el sistema eléctrico o por causas naturales, algunas de estas son descritas a continuación:

 Corto circuito entre un conductor energizado y cualquier otra parte metálica. (Minimizando el riesgo de electrocución).

 Descargas atmosféricas inducidas, ya que estas deben ser descargadas a tierra. (Previniendo sobretensiones que puedan ser peligrosas en el equipo y en las carcasas de los mismos).

Este problema existe en todos los campos de la Ingeniería Eléctrica, desde las bajas corrientes a tierra de los equipos electrónicos de estado sólido, hasta las altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en alta tensión.

Anteriormente se analizaba solamente el peligro producido por tensiones peligrosas directas de línea a tierra, transitorias por descargas atmosféricas o por caída de líneas, y no se consideraban los efectos secundarios que producían las sobretensiones peligrosas y no se contemplaba el efecto producido por corrientes de falla al circular por el terreno, que era lo que producía los accidentes o la muerte del personal operativo. Este criterio costó muchas vidas humanas.

OBJETIVO

JUSTIFICACIÓN

Este trabajo tiene como finalidad, explicar los objetivos, cálculos y tipos de sistema de tierras que se diseñan e instalan en la actualidad, para lograr una adecuada y excelente protección de los circuitos y equipos eléctricos, así como del personal empleado en la industria.

El sistema de tierras es parte fundamental del diseño de cualquier instalación eléctrica como pueden ser: centrales generadoras, subestaciones eléctricas, líneas de transmisión, etc. Y muchas veces, no se le da la seriedad necesaria.

Otro aspecto importante es conocer los diferentes elementos que conforman el sistema de tierras, y mostrar la correcta puesta a tierra de los equipos o elementos que deben estar a un potencial de tierra. Así como los factores que pueden afectar o beneficiar, a que la red de tierras nos proporcione un medio de baja impedancia para el drenado de las fallas y como consecuencia poder permanecer con seguridad dentro de instalaciones eléctricas.

CAPÍTULO 1

CAPÍTULO 1. SISTEMA DE TIERRAS

1.1. SISTEMA DE TIERRAS

1.1.1. DEFINICIÓN

Un sistema de tierras es el conjunto de elementos interconectados que tiene como objetivo evitar diferencias de potencial peligrosas en una instalación eléctrica y que al mismo tiempo, permita el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosféricas a tierra, logrando con esto, proporcionar seguridad al personal, equipos e instalaciones eléctricas, asegurando una buena calidad de la energía.

Bajo el nombre genérico de sistema de tierra se conoce tanto a la conexión a tierra del sistema de distribución, como a la conexión o puesta a tierra del equipo eléctrico y no eléctrico.

1.1.2. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA

Una gran parte de los accidentes personales en la industria y en cualquier otra parte donde se tenga un sistema eléctrico, debidos a causas eléctricas, están relacionados con el contacto directo con partes metálicas. Se ha encontrado que la causa de estos accidentes, ha sido la falta de un sistema de tierra o sistemas de tierra adecuados.

Estadísticamente el 10% de los incendios originados en las Instalaciones Eléctricas se deben a fallas en los sistemas de tierras. Por ésta razón, se deduce que desde el diseño de cualquier instalación eléctrica para plantas industriales, hospitales, oficinas edificios públicos, etc. se le debe dar gran importancia y atención al sistema de tierras.

El disponer de una red de tierra adecuada es uno de los aspectos principales para la protección contra sobretensiones en las subestaciones. A ésta red se conectan los neutros de los equipos eléctricos, pararrayos, cables de guarda y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra.

Las necesidades de contar con una red de tierra en las subestaciones es la de cumplir con las siguientes funciones:

a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las corrientes de tierra, ya sea que se deban a una falla de cortocircuito o a la operación de un pararrayos.

significando un peligro para el personal, considerando que las tensiones tolerables por el cuerpo humano deben ser mayores que las tensiones resultantes en la malla.

c) Facilitar la operación de los dispositivos de protección adecuados, para la eliminación de las fallas a tierra en los sistemas eléctricos.

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico.

e) Evitar la aparición de potencial en el neutro en un sistema en estrella aterrizado.

f) Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo requieran (transformadores, reactores, etc.).

g) Proporcionar un medio de descarga en los equipos, ya que estos almacenan energía por inducción magnética o capacitancia, antes de proceder a tareas de mantenimiento.

La conducción de altas corrientes a tierra en instalaciones eléctricas, debidas a descargas atmosféricas o a fallas del equipo, obliga a tomar precauciones para que los gradientes eléctricos o las tensiones resultantes no ofrezcan peligro a los operadores.

Intensidades del orden de miles de amperes, producen gradientes de potencial elevados en la vecindad del punto o puntos de contacto a tierra y si, además, se da la circunstancia de que algún ser viviente se apoye en dos puntos, entre los cuales existe una diferencia de potencial debida al gradiente arriba indicado, puede sufrir una descarga de tal magnitud que sobrepase el limite de su contractilidad muscular y provoque su caída. En tal situación, la corriente que circula por su cuerpo aumenta y si por desgracia ésta pasa por algún órgano vital como el corazón, puede originar fibrilación ventricular y sobrevenir la muerte.

1.1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA

 Sistema de tierra en Baja Tensión.

El reglamento de instalaciones eléctricas exige a los usuarios de la energía eléctrica su propia conexión a tierra y dice: “En un sistema secundario de suministro puesto a

Los sistemas de tierra en baja tensión, aparentemente son los más simples, ya que no se diseñan en base a potenciales de paso o de contacto, sin embargo, es un hecho que la mayor parte de los accidentes por este concepto ocurren en el hogar, en tinas de hidromasaje, equipos de baño, lavadoras, secadoras, etc.

 Sistema de tierra en Media y Alta Tensión.

Es común que en subestaciones de potencia se piensa que con tener una resistencia de tierra baja es suficiente para proteger los equipos y al personal, sin embargo, existen factores que son determinantes en el diseño de un sistema de tierras ya que se pueden presentar potenciales peligrosos al momento de una falla de corto circuito o descargas atmosféricas, algunos de estos factores son; la resistividad del terreno, la corriente de falla de corto circuito, tamaño del local de la subestación, duración de la falla, geometría de la malla, etc.

El diseño se debe basar en la protección del personal y los equipos, disipando las corrientes de falla a tierra sin elevar el potencial que se presenta más allá del permisible. Es decir poner especial interés en los criterios de las tensiones de paso y contacto.

1.1.3.1. SISTEMA DE TIERRA PARA PROTECCIÓN

Tiene como objetivo conectar eléctricamente a tierra todos los elementos metálicos que forman parte de la instalación eléctrica, que no se encuentran sujetos a tensión normalmente, pero que pueden tener diferencias de potencial a causa de fallas accidentales, estos pueden ser: tableros eléctricos, tanque de interruptor y transformador, carcasas de las máquinas eléctricas, estructura metálica de las subestaciones o líneas de transmisión y en general todos los equipos eléctricos.

1.1.3.2. SISTEMA DE TIERRA PARA FUNCIONAMIENTO

Se refiere a que una parte del sistema eléctrico, requiere una conexión a tierra con el fin de mejorar el funcionamiento en: sistemas de distribución, neutros de los transformadores, generadores, bases de apartarrayos, etc.

Es necesario hacer dos divisiones del sistema eléctrico, una de ellas concerniente al sistema de alimentación y/o de distribución de energía y la segunda al sistema de tierras de maquinaria y equipo eléctrico.

Proporcionando valores máximos a tierra, la distribución secundaria o de baja tensión, se realiza con transformadores de distribución monofásicos 2 ó 3 hilos y trifásicos 4 hilos.

La distribución primaria o de mediana tensión, se realiza en conexión estrella aterrizada en la subestación. Si a partir de esta se lleva 3 conductores de fases, se tiene un sistema 3 fases-3 hilos. Si a partir de la subestación se llevan 3 conductores de fase y el neutro, se tiene un sistema de 3 fases-4 hilos, denominado también sistema multiaterrizado.

La subtransmisión y transmisión se realiza en conexión estrella aterrizada en la subestación, teniéndose un sistema de 3 fases-3 hilos.

Se puede decir que es un aspecto de diseño en el que intervienen factores tales como tipo de carga, protección del transformador, economía de la instalación, etc.

La segunda división, relativa al sistema de tierras de equipo eléctrico tiene por el contrario un fin de protección "en falla" a diferencia de la anterior que opera constantemente para dar la tensión que requieren los elementos del sistema de alimentación y/o distribución de la energía. Este sistema proporciona protección únicamente al ocurrir una falla tal como de fase a tierra, de otra manera, no tiene intervención alguna en la instalación. Tan necesaria es una división como la otra, una para fijar tensiones de operación de equipo, como lámparas que operan a 220 V conectándose entre fases o a 127 V conectándose entre una fase y el neutro. La segunda división proporciona una trayectoria predeterminada de baja impedancia a corrientes de falla que conduzcan rápida y eficazmente la falla a los dispositivos operadores de protección y coloquen el equipo metálico a potencial de tierra, evitando riesgos de descargas al personal que opera las máquinas y del que circula cerca de ellas.

1.1.3.3. SISTEMA DE TIERRA PARA TRABAJO

Con frecuencia durante las actividades de trabajo como son mantenimiento, reparaciones, etc. Es necesario realizar conexiones sólidamente aterrizadas con el fin de que sean accesibles y sin peligro para los trabajos a realizar.

1.1.4. FACTORES BÁSICOS A CONSIDERAR PARA EL DISEÑO

DE UN SISTEMA DE TIERRAS



LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Esta cantidad se expresa en ohm-m y representa la resistencia de 1 m3 _{de tierra,}

medida entre superficies opuestas.



TAMAÑO O EXTENSIÓN DEL SISTEMA DE TIERRAS

Este es un factor importante, ya que si el sistema es muy pequeño para manejar grandes corrientes de falla, pueden existir gradientes de potencial sobre la superficie, haciendo riesgoso esto para el contacto. En forma ideal el concepto de un buen sistema de puesta a tierra, ha sido el de obtener una resistencia a tierra tan baja como sea posible. Sin embargo, en sistemas donde las corrientes de falla son excesivamente altas, puede ser imposible, mantener potenciales a tierra dentro de los límites de seguridad, aunque la resistencia de tierra se mantenga baja.

1.2. ELEMENTOS

QUE CONSTITUYEN

UN SISTEMA DE TIERRAS

Los elementos principales de un sistema de tierras son los siguientes:

 Electrodos

 Conductores

 Conectores

1.2.1. ELECTRODOS

Son elementos metálicos conductores, los cuales se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas húmedas y por lo tanto con menor resistividad eléctrica en el subsuelo. Con el fin de mantener un potencial de tierra en todos los conductores que estén conectados a ellos y de esta forma disipar en el terreno todas las corrientes de falla.Son especialmente importantes en terrenos sin vegetación y por lo tanto secos.

Pueden ser fabricados de acero, acero galvanizado, acero inoxidable, cobre, aluminio, o una combinación de éstos (copperweld). La selección del material dependerá de las características del terreno.

Para instalaciones eléctricas la NOM-001-SEDE-2005 en su artículo 250-84 establece que la resistencia de una varilla o electrodo de tierra no debe exceder de

25 Ω. Esto se toma como un límite superior.

A continuación se describen los tipos de electrodos más comunes:

a) Varilla Copperweld

Esta varilla es una de las más usadas, ya que es de bajo costo. Este tipo de electrodo es fabricado de acero cubierta de cobre (copperweld), el cual combina las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del acero, su longitud es de 3.05 metros y los diámetros nominales más comerciales son: 5/8” y 3/4" o bien 14.3 mm2 y 19 mm2.

Esta varilla se debe enterrar en forma vertical y a una profundidad de por lo menos 2.4 metros, excepto si se encuentra roca, en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra se debe clavar a un ángulo oblicuo que no forme más de 45° con la vertical o se acepta que la varilla vaya enterrada en forma horizontal, siempre y cuando sea en una zanja de mínimo 800 mm de profundidad. (Según Art. 250-83(c)(3) de la NOM-001-SEDE-2005). (Ver figura 1.1).

La varilla copperweld no tiene mucha área de contacto, pero sí una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra húmedas, lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

Figura 1.1. Detalle de instalación de electrodo de tierra tipo varilla Copperweld

Estas varillas combinan las ventajas del cobre con la alta resistencia mecánica del fierro; poseen una buena conductividad eléctrica, excelente resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica para ser clavadas en el terreno.

b) Placa

Figura 1.2. Electrodo de tierra tipo placa

c) Anillo de tierra

Este consiste en un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura, en contacto directo con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste como mínimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamaño nominal no inferior a 33,6 mm2 (2 AWG). (Art. 250-81(d) de la NOM-001-SEDE-2005). (Ver figura 1.3).

d) Malla

La malla se hace armando una red de conductores de cobre desnudos, esta malla se puede mejorar con algunos electrodos. Esta malla es muy utilizada en las subestaciones eléctricas, ya que reduce el riesgo de descargas. (Ver figura 1.4).

Figura 1.4. Electrodo de tierra tipo malla.

OBSERVACIÓN: A continuación se describen los electrodos no especificados por la NOM-001-SEDE-2005, pero existentes en el mercado.

a) Rehilete

Este electrodo se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van soldadas y estas a la vez a un conductor (cable de cobre) mediante soldadura exotérmica. Este tipo de electrodo es bueno para terrenos donde es difícil excavar, ya que tiene mucha área de contacto. (Ver figura 1.5).

b) Electrodos químicos

Los electrodos químicos son aquellos electrodos a los que se les adiciona algún compuesto químico para aumentar la conductividad y de esta forma disminuir el valor de resistencia. (Ver figura 1.6).

Figura 1.6. Electrodos de tierra de tipo químico.

Disminuye la resistencia eléctrica de contacto a tierra por medio de su contenido químico, facilitando el paso de la corriente eléctrica, propia de la descarga atmosférica o bien de corto circuito, aumentando así su volumen de disipación y reduciendo el tiempo de respuesta. Actúa 10000 veces más rápido que el contacto metal-tierra, disipando la energía eléctrica de corto circuito o del rayo, estabilizando la tensión de su instalación eléctrica, permitiendo operar a tiempo los sistemas de protección.

Los contenidos químicos más usuales para estos electrodos son:

a) Carbón mineral (Coke).- Ha venido a sustituir al carbón vegetal por tener mejores cualidades aunque requiere una cierta medida de la humedad.

b) Grafito rígido.- Al tratarse de un electrodo constituido enteramente por grafito, no se encuentra afectado intensamente por la corrosión a diferencia de lo que ocurre con los metales.

En cuanto a los valores de resistencia a tierra en suelos de diferentes resistividades, su comportamiento es muy similar o incluso mejor al de las placas estrella, y mucho mejor al de las varillas convencionales.

c) Sulfatos.- Son obsoletos debido a sus cualidades corrosivas sobre los metales en particular del cobre.

d) Sales.- También, al igual que los sulfatos ya no se usan, además de ser corrosivas se diluyen fácilmente en el agua.

La ventaja de este tipo de electrodos es que se puede obtener resultados favorables de inmediato, pero requieren ser vigilados o monitoreados cada semestre para garantizar que se encuentren en buenas condiciones para el logro de su efectividad, por lo tanto se les tiene que dar mantenimiento con mayor frecuencia.

NOTA: De acuerdo a pruebas que se han realizado por el Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM) de Comisión Federal de Electricidad, durante 2 años sobre el comportamiento de los diferentes tipos de electrodos de tierra prefabricados y electrodos de tierra con rellenos químicos (instalados en campo), efectuando mediciones cada semana, muestra resultados interesantes para la selección del electrodo de tierra más eficiente.

Con base en los resultados se reporta que el mejor comportamiento corresponde a la varilla copperweld, siendo la más utilizada gracias a su gran eficiencia y bajo costo de material e instalación, en algunos casos para mejorar el comportamiento de esta puede combinarse con contra-antena, por el contrario los electrodos mas deficientes fueron los prefabricados de grafito (electrodos químicos).

1.2.1.1. COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS DE

TIERRA

Los efectos más importantes a considerar en los electrodos son:

 Efecto del aumento de la sección transversal de un electrodo

 Efecto de profundidad de enterramiento

Este efecto proporciona sólo una reducción marginal en la impedancia, pero a un costo relativamente alto, de modo que normalmente no se considera. Debe recordarse sin embargo, que mientras mayor sea la profundidad de enterramiento, menores son los gradientes de potencial en la superficie del terreno.

 Efecto de proximidad de electrodos

Si dos electrodos de tierra se instalan juntos, entonces sus zonas de influencia se traslapan y no se logra el máximo beneficio posible. En realidad, si dos barras o electrodos horizontales están muy próximos, la impedancia a tierra combinada de ambos puede ser virtualmente la misma que de uno solo, lo cual significa que el segundo es redundante. El espaciamiento, la ubicación y las características del terreno son los factores dominantes en esto.

1.2.1.2. CONFIGURACIÓN DE LOS ELECTRODOS

Cuando se conectan en paralelo varias varillas de tierra, el valor de resistencia a tierra que presenta el conjunto es menor que el valor de resistencia a tierra que presenta una sola varilla. Estos valores son mostrados en la tabla 1.1.

Si se conecta a una varilla existente otra varilla en paralelo, el valor de resistencia a tierra de las dos no es la mitad del valor que tenga una de ellas, a menos que se encuentren separadas una distancia igual a varias veces la longitud de una varilla.

El artículo 250-84 de la NOM 001-SEDE-2005 especifica que la distancia mínima de separación entre electrodos debe ser de 1.80 m entre sí; sin embargo indica que aumenta su eficiencia si se separa más la distancia.

ELECTRODOS MÚLTIPLES

VALORES ESPERADOS ARREGLO Dos electrodos en paralelo reducen el

55% de la resistencia de uno

Tres electrodos en delta reducen al 38%

Tres electrodos en línea recta reducen al 35%

VALORES ESPERADOS ARREGLO

Ocho electrodos en cuadro reducen a 17%

Ocho electrodos en circulo reducen al 16%

Nueve electrodos en cuadro solido reducen al 16%

Doce electrodos en cuadro reducen al 12%

Tabla 1.1. Tipos de arreglos y porcentajes de reducción de la resistencia del electrodo.

Como se observa, se obtienen mejores resultados al instalar tres electrodos en línea que en triángulo y además se utiliza menos conductor en su interconexión, se recomienda solamente el arreglo de triángulo cuando no se tiene el espacio suficiente (6 m de longitud).

1.2.2. CONDUCTORES

Sirven para formar el sistema de tierra y para conexión a tierra de los equipos. Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cable concéntrico formado por varios hilos.

El conductor que formará la malla de tierras debe seleccionarse de la siguiente manera.

1.2.2.1. MATERIAL

Descripción Conductividad del material (%)

αr

factor a 20 °C

k

(1/α0)

a 0°C Temperatura de fusión (0 °C) ρr

a 20 °C

(μΩ/cm3₎

TCAP Valor efectivo

� ��3_∙℃

Alambre de cobre

suave estándar 100.0 0.00393 234 1083 1.7241 3.422 Alambre de cobre

duro comercial 97.0 0.00381 242 1084 1.7774 3.422 Cobre estañado

con alma de acero 40.0 0.00378 245 1084/1300 4.397 3.846 Cobre con alma

de acero 30.0 0.00378 245 1084/1300 5.862 3.846 Alambre de

aluminio comercial 61.0 0.00403 228 657 2.862 2.556 Aluminio aleación

5005 53.5 0.00353 263 660 3.2226 2.598 Aluminio aleación

6201 52.5 0.00347 268 660 3.2840 2.598 Alambre de

aluminio estañado

con alma de acero 20.3 0.00360 258 660/1300 8.4805 2.670 Alambre de acero

cubierto con zinc 8.5 0.00320 293 419/1300 20.1 3.931 Acero inoxidable 2.4 0.00130 749 1400 72.0 4.032

Tabla 1.2. Tabla de constantes del material

1.2.2.2. CALIBRE DEL CONDUCTOR

Este se debe seleccionar tomando en cuenta el esfuerzo mecánico y térmico a que esta expuesto.

El esfuerzo térmico se puede calcular con la fórmula de Sverak.

Para conductores en escala de mm2

I = AT

TCAP × 10−4

tcαr r

ln K0 + Tm

K0+ Ta

Ecuación 1.1. Donde:

I es la corriente de falla simétrica eficaz (kA); I = If = 3IO

AT es el área de la Sección transversal del conductor (mm2)

Tm es lamáxima temperatura permisible del material (°C)

Tr es la temperatura de referencia para las constantes del material (°C) α0 es el coeficiente de resistividad térmica a 0 °C (1/°C)

αr coeficiente de resistividad térmica a la Tr (1/°C)

ρr es la resistividad del conductor a tierra referido a la Tr(μΩ-cm3)

K0 es _α1

0 o

1

αr −Tr en °C

Tc es el tiempo del flujo de corriente en (s)

TCAP es la capacidad térmica en Joules J

cm3_∙℃

Si el calibre del conductor está en circular mils (CM)

I = 5.07 × 10−3A_kcmil TCAP

t_cα_{r r} ln

K0+ Tm

K₀+ T_a

Ecuación 1.2.

Si se quiere conocer la sección o calibre requerido en función de la corriente de corto circuito se tiene:

AT = A mm2 =

I

TCAP × 10_t −4

cαrρ_r ln

K0+ Tm

K₀ + T_a

Ecuación 1.3.

A_kcmil = I 197.4

_tTCAP

cαr r ln

K0+ Tm

K0+ Ta

Ecuación 1.4.

Simplificación de fórmulas

Para calcular el calibre de conductor podemos hacer uso de la fórmula simplificada y la tabla 1.3 de constantes de materiales.

Para obtener el área en mm2 se emplea la siguiente fórmula:

A_mm2 =

I∙Kf ∙ tc

1.97352

Ecuación 1.5.

Para obtener el área en kcmil se emplea la siguiente fórmula:

Ecuación 1.6. Donde:

I es la corriente rms de falla en kA.

tc es el tiempo de duración de la corriente de falla en segundos.

Kf es una constante para diversos materiales dada en la tabla 1.3 para diferentes

valores de Tm (temperatura de fusión o limite de temperatura del conductor) y usando

una temperatura ambiente de 40° C (Ta).

Material Conductividad (%) Tm (° C) Kf

Cobre suave recocido 100 1083 7..00 Cobre duro comercial 97 1084 7.06 Cobre duro comercial 97 250 11.78 Cable de acero recubierto de cobre 40 1084 10.45 Cable de acero recubierto de cobre 30 1084 12.06 Varilla de acero recubierta de cobre 20 1084 14.64

Aluminio grado EC 61 657 12.12

Aluminio aleación 5005 53.5 652 12.41 Aluminio aleación 6201 52.5 654 12.47 Cable de acero recubierto de aluminio 20.3 657 17.20

Acero 1020 10.8 1510 15.95

Varilla de acero recubierta de acero inoxidable 9.8 1400 14.72 Varilla de acero recubierta de Zinc 8.6 419 28.96 Acero inoxidable 304 2.4 1400 30.05

Tabla 1.3. Constantes de materiales para fórmula simplificada.

En la práctica los requerimientos de confiabilidad mecánica determinarán el calibre mínimo del conductor. Las primeras guías de la AIEE e IEEE recomiendan un calibre mínimo de 1/0 y 2/0 AWG para conductor de cobre con juntas soldadas y atornilladas respectivamente. Un reciente estudio realizado a nivel internacional ha mostrado que cerca del 66% de las utilizaciones cuestionadas usan conductor de calibre 4/0 AWG para la construcción de la red y aproximadamente el 16% restante prefiere usar conductores tan grandes como 500 kCM.

Aunque en muchos casos el calibre del conductor esté sobrado, se ha justificado su instalación para darle mayor resistencia mecánica y evitar su afectación por efectos electromecánicos o de corrosión. (Ver figura 1.7).

Figura 1.7. Tipo de conductores

1.2.3. CONECTORES

Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra, para conectar los electrodos a los conductores y para la conexión de los equipos a través de conductores al sistema de tierra. Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son principalmente de dos tipos:

1. Conectores a presión

a) Conectores atornillados b) Conectores de compresión

2. Conectores soldables o exotérmicos

Estos conectores deberán seleccionarse con el mismo criterio con el que se seleccionan los conductores a demás deberán de tener las siguientes propiedades:

 Capacidad de conducción de corriente suficiente para soportar las severas condiciones de magnitud y duración de la corriente de falla.

 Resistencia a la corrosión que retarde su deterioro en el ambiente en el que se instale.

 Conductividad eléctrica que reduzca efectivamente las diferencias de tensión locales de la red de tierra.

 Rigidez mecánica robusta para resistir los esfuerzos electromecánicos que puedan provocar daños físicos a la red.

 Capacidad térmica que permita mantener una temperatura por debajo del conductor y así reducir el efecto del calentamiento.

1.2.3.1. CONECTORES A PRESIÓN

Los conectores a presión son todos aquellos que mediante presión mantienen en contacto a los conductores. En este tipo están comprendidos los conectores atornillados o mecánicos y los de compresión.

a) CONECTORES ATORNILLADOS

Están formados generalmente por dos piezas, las cuales se unen por medio de tornillos. El material del conector es de bronce con alto contenido de cobre y el de los tornillos es de bronce al silicio que les da alta resistencia mecánica y a la corrosión. Su limitación máxima de temperatura es de 250 C. (Ver figura 1.8).

Figura 1.8. Conectores atornillados

b)

CONECTORES DE COMPRESIÓN

Los conectores de compresión se fabrican en una sola pieza y mediante herramientas especiales se colocan para la unión de conductores. Los conectores a presión deberán diseñarse para una temperatura máxima de 250 a 350° C.

Los conectores de compresión dan mayor garantía de buen contacto y son ampliamente utilizados para interconectar la red de tierra, así como para la puesta a tierra de las estructuras metálicas y en general de las partes metálicas expuestas de los equipos eléctricos de la subestación.

Figura 1.9. Conectores a presión

1.2.3.1.1.

CORROSIÓN

GALVÁNICA

EN

LAS

CONEXIONES

Esto ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo. La corriente galvánica se incrementa o disminuye de acuerdo a la salinidad del fluido (electrolito). (Ver figura 1.10).

El Ánodo es aquel electrodo del cual fluye la corriente positiva en forma de iones hacia el electrolito. Aquí ocurre la "oxidación" la que implica la pérdida de metal.

El Cátodo es aquel electrodo del cual fluye corriente negativa hacia el electrolito. Aquí ocurre la "reducción", la corriente llega desde el electrolito y el metal se protege.

Electrolito es el medio en que el ánodo y cátodo están inmersos y que tiene capacidad para conducir corriente. Los electrolitos más habituales son agua dulce, agua de mar y la tierra.

Figura 1.10. Corrosión galvánica entre una varilla de cobre y un conector de bronce.

NOTA: Otra forma de evitar la corrosión galvánica que se presenta entre la unión de diferentes materiales es aplicar un compuesto sellador y retardador de la corrosión galvánica, esta compuesto por una base sintética con partículas de cobre, que asegura alta conductividad y no permite la formación de óxidos. Es utilizado para la unión de cobre a cobre y en todas las aplicaciones de tierras, a este compuesto se le conoce como Penetrox E. Actualmente este compuesto es utilizado en subestaciones eléctricas de Luz y Fuerza del Centro.

1.2.3.2. CONECTORES SOLDABLES

Los conectores soldables son aquellos que mediante una reacción química exotérmica los conductores y el conector se soldan en una conexión molecular. Este tipo de conector, por su naturaleza soporta como mínimo la misma temperatura de fusión del conductor.

Son muy empleados debido al ahorro de tiempo y costo que se obtiene al realizar muchas conexiones. Proporcionan una conexión permanente y eliminan la resistencia de contacto. Están libres de corrosión y permiten el uso de conductores de menor calibre, debido a su máxima limitación de temperatura (450°C). No se usan en presencia de atmósferas volátiles o explosivas.

La forma y dimensiones de los conductores determinan la forma y el tamaño del molde. (Ver figura 1.11). Muchos ensayos efectuados sobre diferentes conexiones soldables, han permitido constatar las siguientes propiedades:

 La conductividad es al menos igual que la de los propios conductores.

 La fractura de la conexión no puede producirse ya que no existen esfuerzos mecánicos. De ello se deduce una duración mucho mayor.

Figura 1.11. Paquete de conexión exotérmica

Para fabricar una conexión exotérmica no es necesaria una fuente de energía externa. Al encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reacción química, donde el óxido de cobre es reducido por el metal aluminio produciendo cobre fundido a unos 1400° C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldándolos en la forma del molde de grafito, obteniendo una unión metálica sólida en unos 20 segundos. Es importante notar que una buena unión depende del ajuste del molde a los conductores. (Ver figura 1.12).

Figura 1.12. Ejemplo de conexiones exotérmicas

1.2.3.3. BARRAS EQUIPOTENCIALES (EQUIPO DE

CONEXIÓN AUXILIAR)

En las líneas de tierra deberán existir los suficientes puntos de puesta a tierra, para ello hacemos uso de las barras equipotenciales, mediante estas barras es posible interconectar todas las puestas a tierra, esto permite un fácil acceso a las diferentes puestas a tierra, lo que facilita los mantenimientos y las mediciones de resistencia y equipotencialidad. (Ver figura 1.13).

Una barra es una pletina de cobre pretaladrada, con dimensiones y separación de pernos y huecos. Debe ser dimensionado de acuerdo con los requisitos inmediatos de aplicación y teniendo en consideración futuros crecimientos, sus dimensiones mínimas son de 5 mm de espesor por 50 mm de ancho y longitud variable.

Es preferible pero no imprescindible que sea recubierto con níquel, sí no lo es, debe limpiarse antes de unir los conectores. Deben utilizarse conectores certificados de compresión de dos huecos o soldadura exotérmica y debe ser aislada de su soporte, se recomienda una separación de 50 cm.

La barra de unión y distribución de tierras da la función de distribuir hilos de tierra ya sea directa a los equipos a proteger o bien mediante la utilización de acopladores secundarios.

Resulta ser un elemento de gran utilidad en diversas aplicaciones ya sea como punto de distribución de hilos de tierra.

1.3. CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LAS REDES DE TIERRA

Una red de protección de tierra es usada para establecer un potencial uniforme en y alrededor de la estructura, está unida sólidamente a los electrodos de tierra.

Para las redes de tierra se tienen básicamente tres disposiciones, que son las siguientes:

 Sistema radial

 Sistema en anillo

 Sistema de red o malla

1.3.1. SISTEMA RADIAL

Este sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra, a los cuales se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. (Ver figura 1.14).

Esta disposición es la más económica, pero la menos confiable, ya que al producirse una falla en un sistema o en el equipo, se generan grandes gradientes de potencial.

Figura 1.14. Sistema radial

1.3.2. SISTEMA EN ANILLO

Es un sistema económico y eficiente, en el se eliminan las grandes distancias de descarga a tierra del sistema radial. Por su configuración, el sistema en anillo no limita potenciales, únicamente puede proporcionar, valores bajos de resistencia a tierra. (Ver figura 1.15).

Este arreglo se emplea cuando la corriente de retorno de la falla a tierra circula únicamente por conductores, como es el caso de las subestaciones tipo pedestal cuya alimentación lleva un neutro corrido.

Figura 1.15. Sistema de anillo

1.3.3. SISTEMA DE RED O MALLA

El sistema de malla es el más usado actualmente en las subestaciones eléctricas. Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares formando una malla o retícula, a la cual se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. En el perímetro de la malla, generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra.

Cuando las corrientes de falla circulan por el terreno natural se generan potenciales que la red de tierras debe limitar para que no resulten peligrosos para el personal.

Figura 1.16. Sistema de red o malla

1.4. CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE TIERRAS

El método para construcción o la combinación de métodos, dependerá de un cierto número de factores tales como: tamaño de la malla, tipo de suelo, calibre del conductor, profundidad de excavación, disponibilidad del equipo, costo del trabajo o restricciones de seguridad debidas a estructuras cercanas existentes o equipo energizado.

Existen dos métodos comúnmente empleados para instalar la red de tierra. Estos son: método de trinchera y el método de conductor arado (plowing). Ambos métodos emplean máquinas. En donde no se emplean estas máquinas debido a falta de espacio, la red de tierras será instalada por excavación manual.

1.4.1. MÉTODO DE TRINCHERA

El siguiente paso es excavar zanjas para conductores transversales (a menudo a una profundidad menor), una vez más, utilizando marcadores como guía. Se debe tener cuidado al excavar estas zanjas para evitar dañar el conductor colocado en las zanjas transversales. Los conductores se instalan en las zanjas y las varillas de tierra restantes son enterradas y conectadas a los conductores. Las mechas restantes también son conectadas a estos conductores. Se realizan conexiones tipo cruz entre los conductores perpendiculares. Y por último las zanjas se cubren completamente con tierra de relleno.

Un método alternativo consiste en confinar el trabajo a una pequeña sección del total del área y completar esta sección totalmente antes de pasar a una nueva área. En este caso, las trincheras se cavan todas a la misma profundidad antes de colocar cualquier conductor. El método de instalación de conductores y varillas de tierra son los mismos que se describen en los párrafos anteriores.

1.4.2. MÉTODO DEL CONDUCTOR ARADO

Otro procedimiento para la instalación de los conductores de la red de tierra, que puede ser económico y rápido cuando las condiciones son favorables y el equipo adecuado está disponible, es el arado de conductores. Se utiliza un arado estrecho especial, que podrá ser colocado e impulsado por un tractor o camión, si hay suficiente margen de maniobra. El arado también puede ser desplazado por un cabrestante colocado en el borde del terreno. El conductor se puede colocar sobre el terreno frente al arado, o un carrete de conductor puede ser montado en el tractor o camión que tire frente al arado. El conductor se introducirá a lo largo del terreno en el fondo del corte de la hoja del arado. Otro método consiste en anexar a la parte inferior de la hoja de arado el conductor y colocarlo conforme avanza. En este caso, se debe tener cuidado de que el conductor no quede arriba del suelo blando.

Los conductores cruzados se aran a una profundidad menor para evitar daños a los conductores previamente colocados. Los puntos de cruce o puntos en los que las varillas de tierra se van a instalar, están al descubierto y se realizan las conexiones.

Con el equipo adecuado, y la ausencia de roca grandes, este método es adecuado para todos los calibres de conductor y para las profundidades que normalmente se utilizan.

1.4.3. REGISTROS

Figura 1.17. Registros para medición

Como alternativa de los registros de fábrica, se pueden construir registros empleando un tubo de albañal, con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.

1.4.4. INSTALACIÓN DE CONEXIONES, CONDUCTORES DE

PUESTA A TIERRA Y VARILLAS DE TIERRA.

Una vez que se coloquen los conductores en sus zanjas, se hacen las conexiones necesarias. Generalmente los puntos de cruce requieren una conexión tipo cruz,

mientras que las conexiones en “T” se utilizan para conectar un conductor recto

situado a lo largo del perímetro. Los tipos de conexiones son muy variados y dependen de la unión, del material que se une y de la utilidad en cuestión.

Las mechas se dejan en lugares apropiados para las conexiones de puesta a tierra de estructuras o equipos. Estos conductores pueden ser del mismo calibre que el del conductor de la malla subterránea o ser de un calibre diferente según el número de tierras por equipo, la magnitud de la corriente de falla a tierra y las practicas de diseño de la instalación. Estas mechas quedan accesibles después de hacer el relleno, para hacer conexiones de alto grado.

1.5. ESTUDIO DEL TERRENO

Para conocer que tan buen conductor de la electricidad es el terreno, es necesario conocer su resistividad o resistencia específica, las rocas, la arena y suelos secos tienen alta resistividad, es decir, presentan mayor oposición al paso de la electricidad, caso contrario, los terrenos con alto contenido de humedad tienen baja resistividad. Por lo tanto, es necesario conocer la resistividad del terreno para poder efectuar un diseño adecuado del sistema de tierra.

1.5.1. RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La resistividad también conocida como resistencia específica, es la propiedad que tiene el terreno para conducir electricidad, la cual está determinada por el tipo de terreno, el contenido de humedad del mismo, su composición química y la temperatura entre otros factores.

La resistividad se mide en Ω-m. Existen dos formas para determinarla, una es empírica mediante tablas y conocimiento del terreno y la otra efectuando la medición directamente en el terreno.

Es muy importante la localización del terreno donde se construirá una subestación y depende del tipo de subestación y costos del terreno.

Se debe hacer una investigación del lugar preseleccionado, observándose la composición general del suelo y determinar la característica del terreno desde el punto de vista de la ingeniería civil y eléctrica.

Para determinar las características del suelo, normalmente se obtienen muestras hasta una profundidad razonable que pueda permitir juzgar la homogeneidad y

condiciones de humedad o nivel de aguas “freáticas”.

La clase del terreno es de vital importancia para un buen sistema de tierras. Existen un gran número de tablas que muestran los rangos de resistividad de varios tipos de suelos y piedra.

CLASE DEL TERRENO RESISTIVIDAD _(ohm

– m) EJEMPLOS Terreno pantanoso o húmedo 50

Tierra de labor, Tierra arcillosa 100

Tierra arenosa húmeda 200

Tierra arenosa seca 1000

Tierra guijarrosa o con cemento 1000

Suelo rocoso 3000

Roca compacta 10000

Tabla 1.4. Resistividad del terreno

1.5.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DEL

TERRENO

La resistividad es dependiente de varios parámetros como son: clase de suelo, humedad, temperatura, y porcentaje de concentración de sales en el terreno, etc.

a) Clase de suelo

El suelo se comporta como un conductor y su resistencia va a depender del tipo de suelo que se tenga ya sea arena, roca, tepetate, arcilla, etc.

b) Humedad del terreno

Cuanto mayor sea la humedad del terreno, la resistencia eléctrica del terreno disminuye.

c) Salinidad del terreno

Al aumentar la salinidad del terreno, la resistencia eléctrica del terreno disminuye considerablemente. Esto se puede observar en la curva 1 de la figura 1.18.

Para un buen sistema de tierras, conviene tratar el terreno con sal común ya que ayuda a conservar la humedad del terreno, aunque últimamente debido a problemas de corrosión se utilizan compuestos químicos con las mismas propiedades de las sales pero sin su poder corrosivo.

También, para disminuir la resistividad del subsuelo, se le disuelven sustancias de alta conductividad en solución acuosa como son:

Sulfato de cobre, cloruro de calcio, sulfato de magnesio, cloruro de sodio, azufre, rocas de sal combinadas con agua.

d) Temperatura del terreno

La temperatura del terreno es un factor importante, pues si la temperatura de un determinado tipo de suelo es de un valor elevado, a pesar de que se trate de una zona en donde el suelo absorba fácilmente la humedad, debido a la temperatura tan elevada del terreno la poca humedad retenida en el suelo se perderá, haciendo que el suelo adquiera un valor de resistividad muy alto.

El agua a temperaturas extremadamente bajas es mala conductora y la resistividad de un terreno también está en función del contenido de humedad, por lo que en zonas frías la resistividad puede ser grande.

Las temperaturas de 0° C o menores, congelan el agua contenida en el terreno aumentando su resistencia eléctrica. En la curva 3 de la figura 1.18 se ilustra la variación característica de la temperatura para un suelo determinado.

La temperatura ideal es no menor de 10° C pero como no es práctico calentar el terreno, surge la necesidad de enterrar los electrodos hasta una profundidad que alcance capas menos frías de la tierra y por ello, fuera de la zona de congelación del agua.

Figura 1.18. El efecto de la humedad, temperatura y sal, sobre la resistividad del suelo.

1.5.3. RESISTENCIA DE LA MALLA DE TIERRAS

Este valor es tal vez el más importante de un diseño de una red de tierras, ya que, en una falla el potencial que se presenta está en función de la corriente de corto circuito y de la resistencia. La resistencia de la subestación depende en primera instancia del área que va a ser ocupada por el sistema de tierra, la cual es conocida desde el comienzo del diseño.

La NRF-011-CFE-2005 indica que la estimación de la resistencia de tierra preliminar, debe efectuarse tomando en consideración los valores siguientes:

 Para subestaciones de potencia en Alta Tensión a nivel de transmisión y subtransmisión, el valor de la resistencia de la malla de tierra debe ser

alrededor de 1 Ω o menor.

 Para subestaciones de potencia de Media Tensión el valor de la resistencia

debe ser entre 1 a 4 Ω.

 Para subestaciones de distribución de Media Tensión el valor de la resistencia de tierra debe ser como máximo de 5 Ω.

Rt =

4 A

Ecuación 1.7.

Donde:

Rtes la resistencia a tierra de la subestación en Ω

es la resistividad del terreno en Ω-m A es el área que ocupa la red de tierra en m2

En una segunda aproximación se puede recurrir a la fórmula Laurent y Niemann, donde se considera la longitud de los conductores de la malla (conductores horizontales) combinada con los electrodos de tierra.

Rt =

4 A+L

Ecuación 1.8.

Donde:

L es la longitud de los conductores enterrados en m

Para una mayor exactitud, se adiciona la profundidad de la red de tierra, por lo tanto:

Rg =

1

LT

+ 1

20∙A 1 +

1

1 + h 20_A

Ecuación 1.9.

Donde:

h es igual a la profundidad de la malla de tierra en m

Para mallas sin varillas de tierra esta fórmula ha sido probada y ha dado resultados prácticamente idénticos.

1.5.4. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Las estimaciones basadas en la clasificación del suelo dan únicamente una aproximación de la resistividad. La prueba de resistividad es obligada en la actualidad. Esta deberá realizarse en varios lugares dentro del sitio. Son muy raros los lugares de la subestación en donde el suelo puede tener resistividad uniforme a través del área entera a una considerable profundidad.

variación importante de la resistividad con respecto a la profundidad. Como regla el número de lecturas realizadas deberán de ser tan grandes como las variaciones, especialmente si alguna de las lecturas tomadas es alta, que pueda ocasionar posiblemente problemas de seguridad.

Si la resistividad varía apreciablemente con la profundidad, es recomendable incrementar en el rango de los espaciamientos de prueba. La idea es que podamos tener una estimación de manera muy exacta para grandes espaciamientos fijos por extrapolación. Esto es posible porque al incrementar el espaciamiento de la prueba, la fuente de corriente de la prueba penetra más y más a áreas distantes, en las direcciones horizontal y vertical, a pesar de la cantidad de trayectorias de corriente que se distorsionan debido a las variaciones de las condiciones del suelo.

La investigación en campo del lugar en que se va a ubicar una planta subestación, es esencial para determinar la composición general del suelo y obtener algunas ideas básicas acerca de su homogeneidad. Las muestras de campo para los estudios de mecánica de suelos son muy útiles, ya que nos proporcionan información sobre las diferentes capas del subsuelo y los materiales que las componen, dándonos una idea del rango de su resistividad.

El valor de la resistividad del suelo que se usará en el diseño de la red de tierras, generalmente se determina con pruebas de campo en el lugar donde se ubicará la planta o subestación. Debido a que existen variaciones en el sentido horizontal y vertical en la composición del suelo, es conveniente realizar las pruebas de campo en varios lugares del terreno. La mayor cantidad de datos obtenidos en las pruebas, nos permitirá seleccionar con mayor precisión el modelo de suelo a usar en el diseño de nuestra red.

1.5.5. MÉTODOS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD

DEL TERRENO

1.5.5.1. MÉTODO WENNER

El método más utilizado comúnmente es el de Frank Wenner denominado también

“de los cuatro electrodos o cuatro puntos”. Consiste básicamente en 4 electrodos enterrados dentro del suelo a lo largo de una línea recta, a igual distancia “a” de separación, enterrados a una profundidad “b”. La tensión entre los dos electrodos

interiores de potencial es medida y dividida entre la corriente que fluye a través de

Figura 1.19. Método Wenner de los cuatro puntos

De donde obtenemos la siguiente ecuación:

= 4 aR

1 + 2a

a2_{+ 4b}2−

a

a2_{+ b}2

Ecuación 1.10.

Donde:

 es la resistividad aparente del suelo en Ω·m R es la resistencia medida en Ω

a es la separación entre electrodos adyacentes en m b es la profundidad de los electrodos en m

Analizando la ecuación (1.10) vemos que el valor de "b" con respecto a "a" es más pequeño, entonces la ecuación puede simplificarse como:

= 2 aR

Ecuación 1.11.

El método de Wenner a pesar de que se publicó en el año de 1915 continua vigente, y los métodos diferentes para medir la resistividad que se han desarrollado se basan en su teoría. Cabe aclarar que este método es para un suelo homogéneo, esto quiere decir que cuando el suelo es de una sola capa se pueden efectuar mediciones de resistividad con diferentes separaciones de electrodos y el valor de resistividad será el mismo.

Si el suelo es heterogéneo, es decir, cambian sus propiedades a cierta profundidad en dos o más capas entonces la medición de resistividad cambiará con la separación de los electrodos.

En la configuración de Wenner el arreglo de electrodos usual es (C1P1P2C2), se

ARREGLO DE ELECTRODOS FÓRMULA DE RESISTIVIDAD C1 P1 P2 C2

P1 C1 C2 P2 ρ1 = 2πaR1

C1 C2 P1 P2

P1 P2 C1 C2 ρ2 = 6πaR2

C1 P1 C2 P2

P1 C1 P2 C2 ρ3 = 3πaR3

Tabla 1.5. Configuración de los electrodos de prueba en el método Wenner

1.5.5.2. MÉTODO SCHLUMBERGER-PALMER

Una desventaja del método Wenner es el decremento rápido de la magnitud de la tensión entre los dos electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente puede usarse este arreglo. (Ver figura 1.20).

Figura 1.20. Método Schlumberger-Palmer

La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “a” representa la resistividad aparente del suelo a

una profundidad “b”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir

datos de temperatura e información sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que se realizó la medición. Todos los datos válidos sobre los conductores enterrados que ya se conocen o se suponen para el estudio de área deberán anotarse.

mediciones de resistividad del suelo son de menor valor en un área en donde una malla de conductores ya ha sido instalada, excepto, tal vez para mediciones poco profundas dentro o cerca del centro de una gran malla rectangular. En tales casos una lectura poco aproximada deberá ser tomada a corta distancia fuera de la malla, con los electrodos en tal posición que minimicen el efecto de la malla sobre las trayectorias de flujo de corriente.

Sin embargo no es necesario hacer dichas consideraciones dentro de la malla, tales anotaciones pueden ser usadas por medio de una aproximación, especialmente si hay una razón para creer que el suelo en la totalidad del área es razonablemente homogéneo. Los electrodos de potencial se localizan lo más cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido.

La fórmula empleada en este caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequeña comparada con la separación “d” y “c”, entonces la

resistividad aparente puede calcularse como:

= c c + d R

d

Ecuación 1.12.

Además, con valores grandes de d/L, las variaciones de los valores medidos debidas a irregularidades en la superficie se reducen dando mediciones más precisas.

1.5.5.3. PROCEDIMIENTO

PARA

MEDICIÓN

DE

RESISTIVIDAD EN CAMPO

Se recomienda realizar las mediciones en la época de menor humedad anual. Los registros de mediciones de resistividad deben incluir datos de temperatura e información acerca de las condiciones de humedad del suelo o resequedad del mismo y la época en que se mide la resistividad. (NRF-011-CFE-2004 Sección 7.1.4)

Paso 1. Se debe dividir el terreno en cuadros de 10 por 10 metros, cada cuadro va a formar una sección, se deben enumerar en un plano las secciones que resulten.

Paso 2. Seleccionar aleatoriamente las secciones en donde se van a realizar las mediciones, de preferencia la mayor parte de las secciones seleccionadas deberán estar en la periferia del terreno.

Figura 1.21. Direcciones y longitudes recomendadas para las mediciones de resistividad.

Paso 4. Partiendo del centro de la diagonal colocar las cuatro varillas en el suelo a una profundidad mínima de 20 cm de acuerdo a las condiciones del terreno, formando una línea recta entre ellas, evitando la existencia de huecos alrededor de las varillas.

Paso 5. Se traza una línea de prueba en diagonal al área bajo análisis, y comenzando al centro de la línea se procede a variar la separación de las puntas de prueba a 0.5, 1, 2 y 3 metros como mínimo.

Paso 6. Las terminales de corriente del instrumento C1 y C2 se conectan a las varillas de los extremos y las de potencial P1 y P2 a las varillas intermedias.

Paso 7. Se energiza el instrumento y se toman las lecturas respectivas de

resistencia en Ω.

Paso 8. Se calcula la resistividad mediante las fórmulas antes mencionadas.

Paso 9. Las lecturas obtenidas se reportan en tablas.

Paso 10. Se trazan las gráficas de resistividad (ρ) contra la separación “a” para cada

sección.