DISEÑO Y CÁLCULO DE MALLAS DE
DISEÑO Y CÁLCULO DE MALLAS DE
PUESTA A TIERRA
PUESTA A TIERRA
CÁLCULO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA
PROGRAMA
PROGRAMA
CONCEPTOS BASICOS
CONCEPTOS BASICOS
1.1.Objetivos y requisitos de los sistemas de puesta a
1.1.Objetivos y requisitos de los sistemas de puesta a tierra.tierra.
1.2. Elevación de potenciales de una malla de puesta a
1.2. Elevación de potenciales de una malla de puesta a tierra ytierra y
voltajes tolerables.
voltajes tolerables.
MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
2.1. Métodos de medición
2.1. Métodos de medición
2.2. Interpretación de las mediciones de la
2.2. Interpretación de las mediciones de la resistividadresistividad
2.2. Cálculo de la
2.2. Cálculo de la resistividad equivaresistividad equivalentelente
CÁLCULO DE LA CORRIENTE IRRADIADA POR LA MALLA
CÁLCULO DE LA CORRIENTE IRRADIADA POR LA MALLA
3.1. Corriente de cortocircuito en alta y
3.1. Corriente de cortocircuito en alta y baja tensión.baja tensión.
3.2. Influencia de los conductores de guardia.
3.2. Influencia de los conductores de guardia.
3.3. Cálculo de la
PROGRAMA
PROGRAMA
CONCEPTOS BASICOS
CONCEPTOS BASICOS
1.1.Objetivos y requisitos de los sistemas de puesta a
1.1.Objetivos y requisitos de los sistemas de puesta a tierra.tierra.
1.2. Elevación de potenciales de una malla de puesta a
1.2. Elevación de potenciales de una malla de puesta a tierra ytierra y
voltajes tolerables.
voltajes tolerables.
MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
2.1. Métodos de medición
2.1. Métodos de medición
2.2. Interpretación de las mediciones de la
2.2. Interpretación de las mediciones de la resistividadresistividad
2.2. Cálculo de la
2.2. Cálculo de la resistividad equivaresistividad equivalentelente
CÁLCULO DE LA CORRIENTE IRRADIADA POR LA MALLA
CÁLCULO DE LA CORRIENTE IRRADIADA POR LA MALLA
3.1. Corriente de cortocircuito en alta y
3.1. Corriente de cortocircuito en alta y baja tensión.baja tensión.
3.2. Influencia de los conductores de guardia.
3.2. Influencia de los conductores de guardia.
3.3. Cálculo de la
CÁLCULO DE ELECTRODOS SIMPLES Y COMPUESTOS
CÁLCULO DE ELECTRODOS SIMPLES Y COMPUESTOS
4.1. Potenciales y resistencias de electrodos simples.
4.1. Potenciales y resistencias de electrodos simples.
4.2. Potenciales y resistencias de
4.2. Potenciales y resistencias de electrodos compuestelectrodos compuestos.os.
4.3. Electrodos activos.
4.3. Electrodos activos.
CÁLCULO DE MALLAS DE PUESTA
CÁLCULO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRAA TIERRA
5.1. Cálculo de mallas de puesta a tierra por el método Std. 80
5.1. Cálculo de mallas de puesta a tierra por el método Std. 80
ANSI/IEEE.
ANSI/IEEE.
5.2. Método general de cálculo de mallas de
5.2. Método general de cálculo de mallas de puesta a tierra ypuesta a tierra y
factores de
factores de seguridad para seguridad para el el método método Std. 80 Std. 80 ANSI/IEEE.ANSI/IEEE.
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA Y LOS
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA Y LOS POTENCIALESPOTENCIALES
6.1. Medición de la
6.1. Medición de la resistencia de electrodos y mallas de puestaresistencia de electrodos y mallas de puesta
a tierra.
a tierra.
6.2. Distribución de potenciales, potenciales de paso y de
6.2. Distribución de potenciales, potenciales de paso y de contacto.contacto.
MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A
MEJORAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRATIERRA
7.1. Diseño no convencional de los sistemas de puesta a
REFERENCIAS
[1] ANSI/IEEE Std.80-2000, “IEE Guide for safety in AC substation grounding”, IEEE Standards Board, New York, 2000.
[2] ANSI/IEEE Std.142-1982, “IEE Recomended practice for
grounding of industrial and commercial power systems”, IEEE
Standards Board, New York, 1982.
[3] ANSI/IEEE Std.81-1983, “IEE Guide for measuring earth
resistivity, ground impedance and earth surface potentials of
ground systems”, IEEE Standards Board, New York, 1983.
[4] E. Orellana y H. Mooney, “Tablas y curvas patrón para sondeos eléctricos verticales”, Interciencia, Madrid, 1966.
[5] P. Ortuondo, “Manual para el proyecto y análisis de sistemas de puesta a tierra”, Imprenta América Ltda., Santiago, Chile
1. CONCEPTOS BASICOS
1.1. Objetivos y requisitos de los sistemas
de puesta a tierra.
1.2. Elevación de potenciales de una
malla de puesta a tierra y
1.1. OBJETIVOS Y REQUISITOS DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
OBJETIVOS DE LA PUESTA A TIERRA
Evitar diferencias de potencial para las personas, potenciales de contacto y de paso.
Contribuir a establecer valores de tensión bajos entre fases sanas y tierra durante fallas residuales.
Proporcionar una vía de baja impedancia para operación correcta de las protecciones: fusibles relés de sobrecorriente.
Conducir a tierra en forma eficiente las corrientes de descargas atmosféricas, limitando las diferencias de potencial.
REQUISITOS DE UNA PUESTA A TIERRA
a) Requisitos de proyecto
1. Obtener R malla R preestablecido
2. Obtener como máximo Zimpulso preestablecido.
3. Dimensionar la puesta a tierra para cumplir con los objetivos de seguridad de las personas.
4. Considerar acciones para evitar daños en equipos.
b) Requisitos de diseño.
1. Los elementos de la malla deben conducir las corrientes residuales durante el tiempo de duración de falla sin
sobrecalentamiento.
2. Soportar esfuerzos mecánicos por faenas sin deterioro. 3. Resistente a eventual corrosión por terreno y atmósfera. 4. Evitar la corrosión galvánica.
5. Los conductores de conexión deben sobredimensionarse y/o protegerse de la temperatura que puedan adquirir.
Potencial y distribución de corriente de un electrodo semi - esférico La densidad de corriente J es :
2
2 A /m r 2 I J El campo eléctrico E: V /m r 2 I J E 2 La diferencia de potencial entre las sup. de radio B y r es:
V r 1 B 1 2 I dr E V r B
La diferencia de potencial entre el electrodo y un punto muy distante es: B 2 I V
B 2 I V R1.2. ELEVACIÓN DE POTENCIALES DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRA Y VOLTAJES TOLERABLES
ELEVACION DE POTENCIAL DE UNA PUESTA A TIERRA Condiciones normales de operación.
Desequilibrios de las corrientes de fase 3er armónico de corriente de transf. Desequilibrio acoplamiento electromag-nético de cables de guardia
Elevación de potencial de
algunos volts en malla de tierra Durante cortocircuitos a tierra.
La elevación de potencial de una puesta a tierra Vo, es:
R I
Vo o
CORRIENTE MÁXIMA ACEPTADA POR EL CUERPO HUMANO
Dalziel y Lee entre 1969 y 1972 determinaron el valor límite para la corriente de fibrilación a frecuencia industrial con una
probabilidad de 0.5% función del tiempo por:
mA t 116 Ifv Personade 50 Kg
mA t I fv
157 Personade 70 Kgvalidas entre 0.8 mA y 60A. Ifv es usado para dimensionamiento de las puestas a tierra.
Factores introducidos por C.E.I.
Trayecto de la corriente Factor Mano a pie
Mano izquierda a mano derecha Mano derecha a pie
1 0.4 0.8 Espalda a mano derecha
Espalda a mano izquierda Pecho mano derecha
0.3 0.7 1.3
Condiciones aleatorias que se deben dar simultáneamente para que una persona se vea afectada por Ifv
•Cortocircuito a tierra máximo.
Permanencia de la persona dentro de la instalación. Ubicación de la persona dentro de la zona de mayor
solicitación.
Actitud de la persona que implique mayor riesgo.
En corriente continua los valores tolerables son mayores
razón 5:1
Desde 300 Hz los valores tolerables aumentan
TIEMPO DE OPERACION DE LAS PROTECCIONES Puesta a tierra: tiempo de despeje fallas en líneas.
Tiempo de despeje: - operación protecciones
- retardo circ. Control interruptor. - tiempo total apertura int.
Interruptores superiores a 44 KV: 20 – 100 ms.
Interruptores de distribución 12 – 23 KV: 160 ms.
Corriente residual aportada de varios puntos y despeje no simultáneo: 2 01 03 3 2 01 02 2 1 I I t I I t t t e
Donde: I01 es la corriente de falla durante el tiempo t1 I02 es la corriente de falla durante el tiempo t2
Si existen reconexiones que se realizan de 0.1 a 0.5 s de la
abertura original, y la falla persiste, debe considerarse al tiempo total de duración de la falla.
VOLTAJES MAXIMOS TOLERABLES POR EL SER HUMANO Situaciones básicas de shock eléctrico:
Voltaje de Contacto: Vc • Voltaje de Retículo: Vr
VOLTAJES TOLERABLES POR EL CUERPO HUMANO
a) Voltaje de contacto b) Voltaje de paso
MODIFICACION DE LOS VOLTAJES TOLERABLES
POR LA GRAVILLA
Capa superficial de 10 a 15 cm de espesor de resistividad ρs
Voltaje de contacto: t C V C (1000 1,5 s s) 0,157 max Voltaje de paso: t C V P (1000 6 s s) 0,157 max
Cs = 1 para resistividad superficial igual al terreno De otra forma: Expresión aproximada con error de 5 % 2 0,09 1 09 , 0 1 S S s h C
Tabla 2. Valores típicos de resistividad superficial de pisos.
ρs (Ω-m)
Capa de grava limpia 10 – 15 cm, tamaño ½”
Hormigones muy secos
Hormigones en terreno normal
Hormigones saturados de humedad Asfalto 3000 50000 200 100 3 000
TENSIÓN TRANSFERIDA Es un caso especial de la tensión de contacto.
Se presenta cuando una persona de pié dentro del área de una SE toca un conductor puesto a tierra en un punto remoto, o cuando una persona parada en un punto remoto toca un conductor conectado a la malla de tierra.
El voltaje transferido puede ser superior a la elevación total de voltaje de la malla de tierra durante la falla.
En algunas situaciones puede ser superior a la suma de los voltajes de ambas mallas, debido a voltaje externo transferido.
Es impractico y a menudo imposible diseñar mallas basado en el voltaje de contacto causado por el voltaje externo transferido. Los peligros de estos voltajes pueden ser eliminados usando
transformadores de aislación, descontinuando eléctricamente las tuberías metálicas o tratando estos circuitos como líneas vivas.
2. MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO
2.1. Características del suelo
2.2. Métodos de medición de la resistividad
2.3. Realización práctica de la medición
2.4. Interpretación de las mediciones
2.1. CARACTERÍSTICAS DEL SUELO
Factores que influyen en la resistividad del suelo: Tipo de suelo.
Composición química, concentración de sales. Granulometría del material del suelo.
Compactación del suelo.
Tipo de suelo ρ (Ω – m)
Suelos vegetales húmedos Arcillas, gredas, linos
Arenas arcillosas Fangos, turbas Arenas Suelos pedregosos Rocas 10 – 50 20 – 60 80 – 200 150 –300 250 – 500 300 – 400 1000 - 10000
Tabla: Resistividades típicas de aguas Tipo de agua
Agua de precipitaciones
Aguas de lagos y arroyos de montaña Agua superficial pura
Agua en zonas de rocas sedimentarias Aguas en zonas de rocas ígneas
Aguas salobres superficiales Aguas de suelos, promedio Agua en suelo de rocas ígneas
Agua en suelo de rocas sedimentarias Aguas subterráneas
Aguas de lagos salados Aguas marinas Aguas de minas 30 – 1000 1000 – 3000 3000 100 – 1000 30 – 500 2 – 10 100 30 – 150 1 1 – 20 0.1 – 1 0.2 < 0.03
2.2. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD
Conducción electrolítica.
- Error del 5% es razonable.
- Medidas en periodo seco y terreno compactado
Método del electrodo auxiliar o de los tres eléctrodos:
Consiste en medir la resistencia de puesta a tierra de un electrodo de dimensiones conocidas.
Barra vertical enterrada
8 1 2 Ln a R 1 8 2
a Ln R e l = longitud a = radioConfiguración de Schlumberger
)
4
1
(
2 2 a L a R Las curvas patrón de interpretación consideran a tendiendo a 0 , el error de las mediciones en relación a éstas es:
2 ) 2L a ( (pu) % 4 ; a 5 . 2 L
• Realizar las mediciones en el terreno mismo.
• No deben existir objetos metálicos que abarquen una gran zona.
No usar huinchas metálicas
• A veces es conveniente medir: temperatura, humedad y ph. • En puestas a tierra grandes, realizar secuencias de mediciones. • Para graficar e interpretar mediante gráficos patrón se recomienda
usar secuencias de L:
0.5 – 0.6 – 0.8 – 1.0 – 1.6 – 2.0 – 2.5 – 3.0 – 4.0 – 6.0 – 8.0 -10
16 – 20 – 25 – 30 – 40 – 50 – 60 – 80 – 100 – 160 etc.
• Los electrodos deben enterrarse poco profundos en las primeras
medidas. Para a ó L chicos h = 0.1 m. para separaciones mayores h = 0.30 m.
• Verter agua en torno al electrodo en terreno seco y apisonar la tierra
alrededor del electrodo.
• En ciertos instrumentos y mediciones considerar la resistencia
de los cables.
2.4. INTERPRETACION DE LAS MEDIDAS DE
RESISTIVIDAD
Terreno homogéneo
a, L
a: medición por el método de Wenner
Terreno de 2 capas horizontales
1 h
2
Terreno de 3 capas horizontales 3 2 1 H Tipo
3 2 1 K Tipo 3 2 1 A tipo Tipo Q 1 2 3
Curva patrón:
terreno de 2 capas (Orellana – Mooney)
2.4. INTERPRETACION POR CURVAS PATRON
a) Trazar las curvas de las mediciones de terreno, en función de: a para el método de Wenner o de L para el método de
Schulumberger. Dibujar en papel log-log igual al de las curvas patrón.
b) Superponer la curva de terreno sobre el gráfico patrón. c) Deslizar la curva de terreno sobre el gráfico patrón,
manteniendo los ejes paralelos hasta coincidir con una curva patrón dibujada o interpolada.
d) Marcar con una cruz en la curva de terreno el origen (1,1) de las curvas patrón.
e) Leer en el eje vertical de la curva de terreno la ordenada de la
cruz marcada. Este valor corresponde a ρ1.
f) Leer en el eje horizontal de la curva de terreno la abcisa de la cruz marcada. Este valor corresponde al espesor E1.
g) Leer el valor de ρ2 o de k de la curva patrón que coincide con la
1
2.5. CÁLCULO DE
2.5. CÁLCULO DE LA RESISTIVIDAD EQUIVALENTELA RESISTIVIDAD EQUIVALENTE
•
• La interpretación de las medidas de resistividad de terreno, La interpretación de las medidas de resistividad de terreno,
entrega un modelo de terreno estratificado: entrega un modelo de terreno estratificado:
- Número de estratos - Número de estratos
- Espesor de cada estrato - Espesor de cada estrato
- Resistividad de cada estrato - Resistividad de cada estrato
•
• La zona de influencia de la malla La zona de influencia de la malla de tierra queda limitada por una superficiede tierra queda limitada por una superficie
equipotencial de
equipotencial de valor igual al valor igual al 5% del potenci5% del potencial de la pal de la puesta uesta a tierra.a tierra.
•
• La mayoría de los métodos de diseño La mayoría de los métodos de diseño de mallas de tierra consideran de mallas de tierra consideran un terrenoun terreno
homogéneo o a lo sumo dos estratos. homogéneo o a lo sumo dos estratos.
•
• La resistividad equivalente de un terreno es el valor que mantiene invariante las La resistividad equivalente de un terreno es el valor que mantiene invariante las
características eléctricas de la puesta a tierra, con respecto al modelo de terreno. características eléctricas de la puesta a tierra, con respecto al modelo de terreno.
La resistividad equivalente es función de: La resistividad equivalente es función de: - La zona de influencia de
- La zona de influencia de la malla (dimensiones del electrodo).la malla (dimensiones del electrodo).
-- Los parámetros del terreno (n, ρi, hi)Los parámetros del terreno (n, ρi, hi) •
MÉTODO DE REDUCCIÓN DE BURGSDORF - YAKOBS
- Procedimiento de reducción más utilizado.
- R terreno multi-estratificado = R terreno de 2 capas
a) m capas desde la superficie se reducen a una sola equivalente.
m i i i i m eF
F
F
m
1 1)
(
1
)
1
(
2 o 2 i i 2 o 2 o 4 i 2 i 2 i 2 i 2 o 2 o 2 i 2 o 2 2 2 o r v 1 F ) r q 4 u u ( 5 . 0 v h r q u ) b r ( r 2 q b r r S r S = área de la malla b = máx profundidad de enterramiento1
0
0 m F F3. CORRIENTES RESIDUALES Y SECCIÓN
DE LOS CONDUCTORES
3.1. Cálculo de las corrientes de falla a tierra
3.2. Influencia de los conductores de guardia
3.3. Cálculo de la sección de los conductores
• Elevación de potencial de la puesta a tierra: Vo = R IG
• En proyecto de puesta a tierra interesa determinar la máxima
corriente de cortocircuito que circulará hacia tierra remota.
• La corriente de cortocircuito es función de:
3.1. CALCULO DE CORRIENTES DE FALLA A
TIERRA
Voltaje del sistema.
Del punto en que se produce el cortocircuito. Tipo de neutro. Aislado o conectado a tierra. Impedancia de falla.
Cortocircuitos que producen corrientes de circulación hacia tierra remota.
• Cortocircuito monofásico.
• Cortocircuito bifásico a tierra.
Simplicaciones comunes en cálculo de corrientes de falla:
Se desprecian las resistencias del sistema.
No se consideran las capacidades de las líneas.
Se consideran los transformadores en sus taps nominales.
Se consideran las reactancias subtransitorias en las máquinas
CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO
Conexión de mallas de secuencia en cortocircuito 1Φ
f n m
0 2 1 0 R Z Z 3 Z Z Z V I donde: Io = corriente de falla simétrica de secuencia cero valor rms. V = tensión de pre-falla fase a neutro en el punto de falla.
Z1 = R1+jX1 impedancia de sec(+) subtransitoria equivalente del sistema. Z2 = R2+jX2 impedancia de sec(-) equivalente del sistema.
Zo = Ro+jXo impedancia de sec(o) equivalente del sistema. Zf = Rf +jXf impedancia de falla.
CORTOCIRCUITO BIFÁSICO A TIERRA
Conexión de mallas de secuencia en cortocircuito 2Φ a tierra
Z Z Z
Z
Z
Z Z Z V I 0 2 0 2 1 2 0 Los parámetros de la expresión tienen el mismo significado anterior Z1, Z2 y Zo son calculados mirando el sistema desde el punto de falla
RIGUROSIDAD DEL CORTOCIRCUITO El cortocircuito monofásico es más riguroso:
2 2 1 o Z Z Z cuando: o bien: Zo Z1 (para Z1=Z2)
Si la impedancia Zf y Zn son cero y no se considera las resistencias del sistema, Io en forma aproximada es:
cortocircuito monofásico: 0 2 1 0 X X X V I
cortocircuito bifásico a tierra:
0 1 2 0 1 2 0 X X X X X X V I
0 f 3 I
I
MÁXIMA CORRIENTE DIFUNDIDA POR LA PUESTA A TIERRA
La corriente simétrica difundida por la puesta a tierra es:
f f
G
S
I
I
Sf = factor de división de la corriente de falla a tierra
Sf es independiente del tipo de falla, y sólo depende de: - La localización de la falla.
- La característica del sistema (por ejemplo si está el neutro aterrizado o si tiene cables de guardia).
Para la localización del punto de falla en que se obtenga la máxima corriente difundida por la malla no existe una regla general, se recomienda probar en diversos puntos del
Asimetría de la corriente de cortocircuito: toma en cuenta la componente unidireccional de la onda de corriente durante la falla por el factor de decremento Df .
Factor de crecimiento Cp: considera el crecimiento del sistema que significará un aumento de la corriente de cortocircuito.
f f f p G
C
D
S
I
I
Influencia de resistencia de la malla de puesta a tierra: es necesario chequear el valor de la corriente de cortocircuito
considerando el valor final de la resistencia de la malla, usando por ejemplo:
Efecto de la impedancia de falla: si la falla es una ruptura de aislación dentro del recinto de la SE local, la única consideración
S h S L R 20 1 1 1 20 1 1
FACTOR DE DECREMENTO
- Factor de ajuste usado en la corriente de cortocircuito para el cálculo de un puesta a tierra.
- Considera el efecto de la componente unidireccional de cortocircuito durante el tiempo de duración de la falla.
t f a
af
e
t
3.2. INFLUENCIA DE LOS CONDUCTORES
DE GUARDIA
• En una SE alimentada por una línea con cables de guardia se
tiene que:
- Una parte de la corriente residual de falla es dispersada hacia la tierra remota por la puesta a tierra local.
- El resto de la corriente de falla retorna hacia el neutro del transformador a través de los cables de guardia y de las puestas a tierra de las estructuras de la línea.
• La corriente difundida al terreno por la puesta a tierra local:
- Puede ser bastante menor que la corriente total de falla.
- Implicando un menor dimensionamiento de la puesta a tierra de la SE.
Existen dos situaciones típicas:
•
Líneas sin cables de guardia
•Líneas con cables de guardia.
Se mostrará como se reparte la corriente residual de falla en la puesta a tierra de la SE (en diseño) y los cables de guardia.
LINEA SIN CABLES DE GUARDIA
En este caso, la totalidad de la corriente residual de falla Ir en la SE es dispersada por la puesta a tierra y retorna al neutro del transformador a través del terreno (Ir = Ig).
LINEA CON CABLES DE GUARDIA
3.3. CALCULO DE LA SECCIÓN DE LOS
CONDUCTORES
SELECCION DE LOS CONDUCTORES Y UNIONES
Requerimientos básicos de conductores, uniones, conectores y cables de conexión:
1) Tener suficiente conductividad ( no contribuir a diferencias de potenciales locales)
2) Resistir a la fusión y deterioro mecánico bajo las más adversas combinaciones de corriente de falla y tiempo de duración de la misma.
3) Ser mecánicamente resistente, especialmente en locales expuestos a corrosión química y/o deterioro mecánico. TIPOS DE CONDUCTORES: · Cobre (Cu)
· Acero recubierto de cobre · Acero
SECCIÓN MÍNIMA DEL CONDUCTOR ENTERRADO DE LA MALLA Basado en la máxima temperatura de cortocircuito deducida por Sverack es:
a m r r c mmT
K
T
K
n
t
TCAP
I
A
0 0 410
2 s en corriente la de n circulació de tiempo C en ); (1/ o , 1/ /cm en T referencia de ra temperatu la a tierra de conductor del ad resistivid T referencia de ra temperatu la a ad resistivid de térmico e coeficient C 0 a ad resistivid de térmico e coeficient C en admisible ra temperatu máxima T KA en eficaz corriente mm en malla la de conductor del sección A r o 3 r r r o m 2 c r o r t T K I Capacidad de corriente para cables de cobre de mallas de
puesta a tierra para X/R= 40
Capacidad de corriente para cables de cobre de mallas de
puesta a tierra para X/R= 20
Capacidad de corriente para cables de cobre de mallas de
puesta a tierra para X/R= 10
Capacidad de corriente para cables de cobre de mallas de
puesta a tierra para X/R= 0
FACTORES ADICIONALES DE DIMENSIONAMIENTO 1) No debe ser excedida la menor temperatura de los
componentes.
2) Considerar menores temperaturas en circunstancias especiales: conductores cerca de materiales inflamables.
3) Factores ambientales: exposición a un ambiente corrosivo. 4) Las bajadas a la malla de tierra llevan la corriente total de
falla, por lo tanto deben ser de una sección mayor.
National Electric Safety Code ANSI C2-1984, especifica como secciones mínimas para bajadas de tierra de pararrayos:
- conductor AWG N°6 para el cobre. - Conductor AWG N°4 para el aluminio.
SECCIÓN FINAL DEL CONDUCTOR DE LA MALLA
En la práctica el requerimiento de confiabilidad mecánica del conductor determinan la sección mínima.
La Guía IEEE recomienda como secciones mínimas:
1/0 para conductores con uniones soldadas y. 2/0 para conductores con uniones apernadas.
Servicios Eléctricos y de combustibles SEC, recomienda como sección mínima 21 mm2 para los conductores de las puestas a
tierra.
Es usual seleccionar un conductor de mayor sección que el mínimo establecido por las siguientes razones:
Mal funcionamiento de los relés o errores humanos implican tiempos de
fallas mayores que los normales. Para pequeñas SE los tiempos reales pueden ser de 3 s o mayores. En grandes SE por la redundancia de protecciones los tiempos reales son de 1 s o menos.
Debe ser considerado el crecimiento del sistema eléctrico, lo que
4.1. ELECTRODOS SIMPLES
Se emplean en: corrientes a tierra bajas y resistividad del terreno baja
Barra vertical
) ) ( 2 ) ( 2 2 2 2 x t t x L t L t n L I x V
t L t L a L n L I V 4 4 3 2 0
t L t L a L n L R 4 4 3 2 a << L elevación de potencial del conductorConductor enterrado horizontalmente
2 2 2 2 2 2 ) 2 / ( 2 / ) 2 / ( 2 / 2 ) ( h x L L h x L L n L I x V
2 2 2 2 0 h a L n L I V
2 2 2 2 h a L n L R ANSI/IEEE Std.142-1982, IEEE Recomended practice for grounding of industrial and comercial power systems”, IEEE Standards Board, New York, 1982.
FORMULAS APROXIMADAS DE RESISTENCIAS DE ELECTRODOS DE TIERRA NORMA ANSI/IEEE STD.142 - 1982
ANSI/IEEE Std.142-1982, IEEE Recomended practice for grounding of industrial and comercial power systems”, IEEE Standards Board, New York, 1982.
FORMULAS APROXIMADAS DE RESISTENCIAS DE ELECTRODOS DE TIERRA NORMA ANSI/IEEE STD.142 - 1982
ANSI/IEEE Std.142-1982, IEEE Recomended practice for grounding of industrial and comercial power systems”, IEEE Standards Board, New York, 1982.
FORMULAS APROXIMADAS DE RESISTENCIAS DE ELECTRODOS DE TIERRA NORMA ANSI/IEEE STD.142 - 1982
ELECTRODOS EN PARALELO
• Electrodos en paralelo proporcionan una menor resistencia que un electrodo simple.
• Agregando un segundo electrodo, la resistencia resultante no se reduce
a la mitad del valor de un electrodo.
• Una regla útil para evaluar la resistencia de puesta a tierra de sistemas
de 2 a 24 electrodos colocados en triángulo, círculo o cuadrado proporcionan una resistencia igual a:
F electrodos de número R R unelectrodo electrodos varios
Número de electrodos Factor multiplicativo F 2 3 4 8 12 16 20 1.16 1.29 1.36 1.68 1.80 1.92 2.00
ELECTRODO ACTIVO
COMPONENTES DE UN ELECTRODO ACTIVO
El cilindro crítico, es una parte importante del electrodo activo, su diámetro nunca debe ser inferior a 30 cm.
RESISTENCIA DE UN ELECTRODO ACTIVO El valor de la resistencia R de un electrodo activo, es:
L E E r L n R b 2 05 , 0 ) ( 95 , 0 1 4 2 , 0
1
0 2
0
donde:L = largo del electrodo r = radio del electrodo
b = resistividad del backfill (0,4 a 0,8 -m)
0= resistividad del terreno E1 y E2 = factores de eficiencia
En un electrodo vertical, el área de influencia es: A = 1,1 L2
5. CÁLCULO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA
5.1. Cálculo de mallas de puesta a tierra por el
método Std. 80 ANSI/IEEE, año 2000.
5.2. Método general de cálculo de mallas de puesta
a tierra y factores de seguridad para el método
Std. 80 ANSI/IEEE.
5.1. CÁLCULO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA
POR EL MÉTODO NORMALIZADO ANSI/IEEE
• La malla de puesta a tierra se hace necesario cuando:
- La corriente de falla a tierra es relativamente alta.
- Se requiere un bajo valor de resistencia de puesta a tierra. - Se requiere un control de los potenciales.
Tipos de mallas
Reticulado
GENERALIDADES DE UN PROYECTO
• Predefinir el área de la malla: usualmente se extiende sobre el patio de
la SE.
• Los conductores del reticulado deben tenderse ordenadamente en lo
posible paralelos y uniformemente espaciados.
• Deben reforzarse los conductores en las zonas de mayor solicitación
(por ejemplo bajadas de neutros en los transformadores).
• Las conexiones cruzadas de conductores reducen la tensión de contacto
en la superficie sobre el punto de cruce, pero son poco efectivas en el valor de la resistencia del electrodo. Son necesarias para proveer
múltiples trayectorias de I.
• Definida la geometría de la malla, deberá evaluarse su comportamiento
eléctrico: potenciales y resistencia.
MÉTODOS DE CÁLCULO
• Métodos Generales
CALCULO DE LOS POTENCIALES
En el cálculo de voltajes de contacto y de paso, de acuerdo a la Guía 80 del IEEE, se hacen las siguientes simplificaciones:
• Suelo homogéneo de resistividad ρ
• Corriente unitaria uniforme irradiada en cada uno de los conductores
Para una disposición de n conductores paralelos de diámetro d, enterrados horizontalmente a una profundidad h, se supone además:
• Los conductores se extienden infinitamente en ambas direcciones, de
modo que se desprecian los efectos de borde.
• No son considerados los efectos de las conexiones cruzadas. • D >> h y h >> d
• La caída de potencial en el reticulado es despreciable.
• La corriente irradiada en cada conductor fluye radialmente en todas las
direcciones y en ángulo recto con respecto al conductor.
• Es aplicable el principio de superposición.
Algunas simplificaciones son plenamente aceptables, dadas las magnitudes que se dan en la realidad y otras son en ciertos casos discutibles.
La corriente irradiada por los conductores es mayor en la periferia de la malla. La guía 80 ANSI/IEEE recomienda aplicar el factor de corrección.
En particular en un conductor la corriente irradiada es mayor en sus extremos
FACTOR DE NO UNIFORMIDAD DE LA CORRIENTE
n 0.148 0.644
K i
n representa el número de conductores paralelos de una malla rectangular equivalente.
d c b a
n
n
n
n
n
P C a L L n
2
LC=longitud total de conductor del reticulado en m LP=longitud del perímetro de la malla en m A=área de la malla en m2 L
x=máxima longitud de la malla en la dirección x
L =máxima longitud de la malla en la dirección y D =máxima distancia entre dos puntos en la malla
A L nb P 4
L x Ly A y x c A L L n
7 . 0 2 2 y x m d L L D n
de otra formanb=1 para mallas cuadradas
nc=1 para mallas cuadradas y rectangulares
nd=1 para mallas cuadradas, rectangulares y en L
CONDUCTORES PARALELOS
DE UMA MALLA RECTANGULAR EQUIVALENTE
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VOLTAJE MÁXIMO DE CONTACTO
El voltaje máximo de contacto (voltaje de contacto entre la mano y los pies) o de retículo, es la diferencia de potencial entre el conductor de la malla y un punto en la superficie del terreno ubicado sobre el centro del retículo de la malla, esta diferencia de potencial tiende a ser mayor en los retículos
periféricos. Para D>>h es:
M G e i m C
L
I
ρK
K
V
donde:
1 2 8 4 8 2 16 2 1 2 2 n n K K d h Dd h D hd D n K h ii m R y x r C L L L L L 2 2 M 1.55 1.22 LLR = longitud total de todas las barras en m
R C L
L
M
L Para mallas sin barras o con unas pocas barrasno ubicadas en la periferia
Para mallas con barras ubicadas en la periferia
1 Kii
2/n 2n 1 Kii
2 1 1 o h h h KPara mallas con barras verticales a lo largo del perímetro Para mallas sin barras verticales o con unas pocas barras localizadas fuera del perímetro
Con ho = 1 m (profundidad de referencia de la malla) D, d, h y n fueron definidas en:
VOLTAJE MÁXIMO DE PASO
VOLTAJE MÁXIMO DE PASO
Es el máximo voltaje que existe entre dos puntos sobre la superficie del
Es el máximo voltaje que existe entre dos puntos sobre la superficie del
suelo separado por 1 m, para D>>h es:
suelo separado por 1 m, para D>>h es:
S S G G ee ii S S p p L L II ρ ρ K K K K V V
LLCC=longitud total de los conductores del reticulado=longitud total de los conductores del reticulado
L
LRR=longitud total de las barras verticales.=longitud total de las barras verticales.
R R L L L L
00,,7575 00,,8585 L LSS CCComo simplificación supondremos que el voltaje máximo de paso ocurre a
Como simplificación supondremos que el voltaje máximo de paso ocurre a
una distancia igual a la profundidad de enterramiento del reticulado, h,
una distancia igual a la profundidad de enterramiento del reticulado, h,
justo fuera del perímetro del conductor
justo fuera del perímetro del conductor..
Para profundidades usuales de enterramiento 0.25 m<h<2.5 m, se tiene:
Para profundidades usuales de enterramiento 0.25 m<h<2.5 m, se tiene:
22 5 5 0 0 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 nn S S .. D D h h D D h h π π K Kd = diámetro de los conductores
d = diámetro de los conductores
D = espaciamiento entre conductores
D = espaciamiento entre conductores
h = profundidad de enterramiento
h = profundidad de enterramiento
El valor máximo de V
El valor máximo de Vpp se ubica generalmente en las cercanías de un se ubica generalmente en las cercanías de un
conductor periférico.
Fórmula de Sverak:
Fórmula de Sverak: Para mallas enterradas entre 0.25 < h < 2.5 m, se Para mallas enterradas entre 0.25 < h < 2.5 m, se
propone. propone. S S h h S S L L R R 20 20 1 1 1 1 1 1 20 20 1 1 1 1
L = Longitud de conductor enterrado en m
L = Longitud de conductor enterrado en m
S = Área de la malla de puesta a tierra en m
S = Área de la malla de puesta a tierra en m22
h = profundidad de enterramiento de la malla en m
h = profundidad de enterramiento de la malla en m
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA MALLA
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA DE LA MALLA •
• Grandes SE (sistema de transmisión) 1Ω o menos.Grandes SE (sistema de transmisión) 1Ω o menos.
•
MÉTODO DE SCHWARZ ( incluye barras verticales):
= resistividad equivalente del terreno.
LC = longitud total de conductor del reticulado.
a' = a para conductor en la superficie. a' = para conductor enterrado. a = radio del conductor.
ha
2
RESISTENCIA DEL RETICULADO
m m
R
R
R
R
R
R
R
2
• 2 1 2 2 1
1 2 , 1 2 • k S L k a L n L R C C C nr = número de barras.
Lr = longitud de cada barra, enterrada a partir de la superficie del terreno. b = radio de cada barra.
RESISTENCIA DE LAS BARRAS:
1 2 2 • 1 2 1 4 • 2 r r r r r n S L k b L n L n R RESISTENCIA MUTUA:
2 1 k 2 1 S L k L L n L R C r C C m Las constantes k 1 y k 2 son función de la superficie, profundidad de enterramiento y de la razón largo/ancho del reticulado A/B:
B A S h k 0,044• • 3 , 2 43 , 1 1
B A S h S h k 0,15 • • 8 5 , 5 2 6. MEDICIÓN DE LAS RESISTENCIA Y POTENCIALES
DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA
1. Principio de medición de la resistencia de una malla
2. Método de medición de la resistencia
3. Medición del perfil de potencial en la superficie del suelo
4. Medición de la elevación de potencial de la malla
5. Medición del voltaje de paso
Esquema de medición de resistencia de una malla con un medidor de resistividad de terreno
MEDICIÓN DE LOS POTENCIALES
• Perfil de potencial
• Potencial de electrodo • Potencial de contacto • Potencial de paso
Se mide la caída de tensión con una inyección de corriente conocida
e m e m I I V V
Donde: Vm, Im potencial y corriente de malla ante una falla, Ve, Ie potencial y corriente de ensayo
7. PROCEDIMIENTOS PARA MEJORAR LAS
PUESTAS A TIERRA
• Diseño no convencional de mallas • Interconexión de mallas
• Uso de electrodos de concreto
• Uso de varillas más largas de lo normal • Tratamiento químico del suelo
• Uso de rejillas metálicas para el control de
gradientes
Malla de puesta a tierra no convencional
Longitud de conductor de una malla convencional 465 m Longitud del diseño no convencional 375 m
Interconexión de mallas de puesta a tierra
12 2 1 2 12 2 12 R
R
R
R
R
R
R
s
R
2
12Tratamiento químico del suelo
Bentonita:
Es una arcilla natural, anticorrosiva (ph=8-10), estable, Higroscópica y tiene una baja resistividad, 2,5 -m con 300 % de humedad
Otros elementos químicos: - Erico gel 2000
- Geo gel o+ - Kam