IEEE - Guía para la Seguridad de puesta a tierra
en Subestaciones de C.A.
Introducción
(Esta introducción no es parte del Std 80-2000 IEEE, Guía sobre Seguridad de la conexión a tierra en Subestaciones de C.A.)
Esta cuarta edición supone la segunda revisión importante de esta guía desde su primera edición en 1961.
Las Principales modificaciones incluyen la ampliación de las ecuaciones para el cálculo de tensiones de toque y paso para incluir a las redes en forma de L y en forma de T; la
introducción de las curvas para ayudar a determinar la división de corriente; modificaciones a las curvas de factor de reducción por material de la superficie; cambios en los criterios para la selección de los conductores y las conexiones; información adicional sobre la interpretación de la medición de resistividad; y la discusión de los suelos de varias capas. Otros cambios y adiciones se hicieron en las áreas de gas y subestaciones, las ecuaciones para el cálculo de la resistencia de la malla, y de los anexos. La cuarta edición continúa construyendo sobre las bases puestas por tres grupos de trabajo anteriores: Grupo de Trabajo 56.1 AIEE y Grupos de trabajo 69.1 y 78.1. IEEE. El trabajo de preparación de esta norma fue realizada por el Grupo de Trabajo D7 de la Subcomisión de subestaciones de distribución y fue patrocinado por el Comité de Subestaciones de la IEEE Power Engineering Society. Esta cuarta edición de la Std 80 IEEE está dedicada a la memoria de JG Sverak, que, a través de sus conocimientos técnicos y experiencia, desarrollando las ecuaciones para el cálculo de tensiones de tacto y de paso y las ecuaciones de la resistencia de la malla utilizadas en la edición de 1986 de esta guía. Su liderazgo, el humor y la perseverancia como Presidente del Grupo de Trabajo 78.1 han conducido a la ampliación del conocimiento de puesta a tierra de subestaciones en el Std 80-1986 IEEE.
Guía IEEE para la Seguridad de puesta a tierra en Subestación de C.A.
1. Información general1.1 Ámbito de aplicación
Esta guía se centra principalmente en las subestaciones de corriente alterna al aire libre, ya sea convencional o de aislamiento gaseoso.
Subestaciones de Distribución, transmisión, y plantas de generación están incluidas. Con cautela, los métodos descritos aquí son también aplicables a las porciones interiores de las subestaciones, o para las subestaciones que sean plenamente en el interior1.
No se pretende cubrir los problemas de puesta a tierra propia de las subestaciones de corriente continua. Un análisis cuantitativo de los efectos de las sobretensiones por relámpagos esta también más allá del alcance de esta guía.
1.2 Propósito
La intención de esta guía es proporcionar orientación e información pertinente a las prácticas de seguridad de conexión a tierra en el diseño de subestaciones de corriente alterna.
Los objetivos específicos de esta guía son a)
b)
Establecer, como base para el diseño, los límites de seguridad de las posibles diferencias que puedan existir en una subestación en condiciones de falla entre los puntos que puede ser contactado por el cuerpo humano.
c)
Examinar las prácticas de puesta a tierra de la subestación con especial referencia a la seguridad, y desarrollar criterios para un diseño seguro.
d)
Proporcionar un procedimiento para el diseño de sistemas de puesta a tierra práctico, basado en estos criterios.
Desarrollar métodos de análisis como una ayuda en la comprensión y solución de los problemas típicos de gradiente.
El concepto y el uso de criterios de seguridad se describen en la cláusula 1, hasta la cláusula 8, los aspectos prácticos del diseño de un sistema de tierra están cubiertas desde la cláusula 9 a la 13, y los procedimientos y técnicas de evaluación para la evaluación del sistema de puesta a tierra (en términos de criterios de seguridad) se describe desde la cláusula 14 a la 20. El Material de apoyo se organiza en los anexos de la A al Anexo G.
Esta guía se basa principalmente en prácticas de puesta a tierra segura para las frecuencias de energía en el rango de 50-60 Hz. Los problemas peculiares de las subestaciones de
corriente continua y los efectos de sobretensiones eléctricas por rayos están fuera del alcance de esta guía.
1
Obviamente, los mismos problemas de gradiente de tierra que existen en el patio de la subestación no deben estar presentes dentro de un edificio. Esto será cierto siempre que la superficie del piso o bien asegura un aislamiento eficaz de los potenciales de la tierra, o bien es efectivamente equivalente a una placa conductora o cerca de la red o malla que está siempre en el potencial de tierra de la subestación, incluyendo la estructura del edificio e instalaciones fijas. Por lo tanto, incluso en una subestación totalmente cubierta, puede ser necesario tener en cuenta algunos de los posibles peligros de los gradientes del perímetro (en las entradas del edificio) y de potenciales transferidos descritos en la cláusula 8. Por otra parte, en el caso de instalaciones interiores con aislamiento en gas, el efecto de las corrientes circulantes en el recinto puede ser motivo de preocupación, como se discute en la Cláusula 10.
Un sistema de puesta a tierra diseñado como aquí describimos, sin embargo, presenta cierto grado de protección contra sobretensiones de frentes de onda empinadas que se introduzcan en la subestación y que pasen a través de sus electrodos de tierra.2 Otras referencias se deben consultar para obtener más información sobre estos temas.
2
La mayor impedancia ofrecida frente a los aumentos repentinos de tensiones tanto aumentará la caída de tensión en los conductores de tierra a la red, como disminuirá la efectividad de las partes más distantes de la red.
En contrapartida, en gran medida es el hecho de que el cuerpo humano al parecer, puede tolerar mucho mayores magnitudes de corrientes en el caso de los aumentos repentinos por relámpagos que en el caso de corrientes a 50 Hz o 60 Hz.
1.3 Relación con otros estándares
Los siguientes estándares ofrecen información sobre aspectos específicos de puesta a tierra: • El estándar IEEE 81-19833
•
y el estándar IEEE 81.2-1991 prevén procedimientos para la medición de la resistividad del terreno, la resistencia del sistema de tierra instalada, los gradientes de la superficie, y la continuidad de los conductores de la malla.
•
El estándar IEEE 142-1991, también conocido como el Libro Verde de la IEEE, cubre algunos de los aspectos prácticos de puesta a tierra, como tierra de equipo, enrutamiento de cables para evitar las corrientes inducidas por tierra, cubierta del cable a tierra, instalaciones estáticas y protección contra rayos, cubierta, etc.
•
El estándar IEEE 367-1996 proporciona una explicación detallada del fenómeno corriente asimétrica y de la división de la corriente de falla, que en gran medida, se da aquí en paralelo. Por supuesto, el lector debe ser consciente de que la subida del potencial de tierra, calculada a los efectos de la protección de las
telecomunicaciones y aplicaciones de transmisión se basa en un conjunto diferente de suposiciones relativas a la máxima corriente de la malla, en comparación con los utilizados para los fines de esta guía.
•
El estándar IEEE 665-1995 proporciona una explicación detallada de las prácticas de toma de tierra en estaciones de generación.
El estándar IEEE 837-1989 establece pruebas y criterios para seleccionar las conexiones que se utilizarán en el sistema de puesta a tierra que responderán a las preocupaciones descritas en la Cláusula 11.
2. Referencias
Esta guía debe utilizarse en conjunción con las siguientes publicaciones. Cuando las siguientes normas sean sustituidas por una revisión aprobada, la revisión se aplicará.
Comité Acreditado de Normas C2-1997, Código Nacional de Seguridad Eléctrica ® (NESC®). 4 Estándar IEEE 81-1983, Guía de la IEEE para la medición de la resistividad del terreno,
Impedancia de tierra y los potenciales de superficie de la Tierra de un Sistema a Tierra (Parte 1).5
Estándar IEEE 81.2-1992, Guía de la IEEE para la medición de Sistemas de puesta a tierra Extendido o Interconectados (Parte 2).
3
La información sobre las referencias se pueden encontrar en la Cláusula 2.
4 El NESC está disponible en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).
5
Las publicaciones IEEE están disponibles en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).
Estándar IEEE 142-1991, IEEE práctica recomendada de puesta a tierra de sistemas de potencia industrial y comercial (IEEE Libro Verde).
Estándar IEEE 367-1996, IEEE Práctica recomendada para determinar subida de potencial de tierra y tensión inducida de una falla de energía en Subestaciones.
Estándar IEEE 487-1992, IEEE Práctica recomendada para la Protección de los cables de la línea e instalaciones de comunicación al servicio de las centrales de electricidad.
Estándar IEEE 525-1992 (Reaff 1999), Guía de IEEE para el diseño e instalación de sistemas de cable en las subestaciones.
Estándar IEEE 665-1995, IEEE Guía para la puesta a tierra de estación de Generación. Estándar IEEE 837-1989 (Reaff 1996), Norma IEEE para la calificación de Conexiones Permanentes empleadas en puesta a tierra de subestaciones.
Estándar IEEE 1100-1999, IEEE práctica recomendada para la alimentación y conexión a tierra de equipos electrónicos (Libro esmeralda IEEE).
Estándar IEEE C37.122-1993, Norma IEEE para gas y subestaciones. Estándar IEEE C37.122.1-1993, Guía de IEEE para gas y subestaciones. 3. Definiciones
La mayoría de las definiciones que figuran en este documento pertenecen exclusivamente a la aplicación de esta guía. No se hará más referencias a cualquiera de las definiciones que aparecen abajo, salvo que sea necesario para mayor claridad. Las demás definiciones se colocan en el texto de determinadas cláusulas. Para las definiciones adicionales se refieren a El Diccionario de términos estándar IEEE eléctricos y electrónicos [B86] .6
3.1 Electrodo de tierra auxiliar: Un electrodo de tierra con un diseño determinado o
limitaciones de funcionamiento. Su principal función no puede ser otra que la conducción de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.
3.2 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de
alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase están unidos entre sí para proporcionar un camino eléctricamente continúo de corriente a lo largo del recinto entero.
Empalmes, conectando los recintos de otra fase, se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalación y en algunos puntos intermedios seleccionados.
3.3 Desplazamiento DC: Diferencia entre la onda de corriente simétrica y la real onda de corriente durante una condición transitoria de un sistema de potencia. Matemáticamente, la corriente de falla real se puede dividir en dos partes, una componente alterna simétrica y una unidireccional (dc). La componente unidireccional puede ser de cualquier polaridad, pero no va a cambiar la polaridad, y disminuirá en alguna tasa predeterminada.
6
3.4 Factor de Decremento: Un factor de ajuste se utiliza junto con el parámetro corriente de falla simétrica de tierra en los cálculos de puesta a tierra orientados a la seguridad. Se
determina el equivalente efectivo de la onda de corriente asimétrica para una duración determinada falla, tf, lo que representa el efecto de la primera desviación y su atenuación en
la falla.
3.5 Corriente de Falla Asimétrica Efectiva: El valor efectivo de la onda de corriente asimétrica, integrada en el intervalo de tiempo de fallo (ver Figura 1).
IF = Df × If (1)
Dónde:
IF es la corriente de falla asimétrica en A
If es la corriente de falla de tierra RMS simétrica en A
Df es el factor de disminución
3.6 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas en la caja metálica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s).
(2)
3.7 Factor de División de Corriente de Falla: Un factor que representa la inversa de una relación simétrica de la falla de corriente a la parte de la corriente que fluye entre la red de puesta a tierra y la tierra circundante.
Dónde
Sf es el factor de división de corriente de falla
Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica en la malla en A
I0 es la corriente de falla de secuencia cero en A
NOTA-En realidad, el factor de división de corriente podría cambiar durante la duración de la falla, sobre la base de las tasas de atenuación variable de las contribuciones a la falla y la secuencia de operación del dispositivo. Sin embargo, para efectos del cálculo el valor de diseño de la corriente máxima y corriente simétrica de la malla por definición de corriente simétrica y corriente máxima, la relación se supone constante durante toda la duración de una falla determinada.
3.8 Subestación de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente de montaje compacto, introducido en una caja metálica conectada a tierra en el que el principal medio de aislamiento es un gas, y que normalmente consiste en buses, interruptores y equipos asociados
(subconjuntos).
3.9 Tierra: Conexión conductora, intencional o accidental, por el cual un circuito eléctrico o equipo está conectado a la tierra o a algún cuerpo conductor con extensión relativamente grande que sirve en su lugar de la tierra.
3.10 Aterrado: Un sistema, circuito, o aparato provisto de una conexión a tierra a los efectos de establecer un circuito de retorno a tierra y para mantener su potencial en aproximadamente el potencial de la tierra.
3.11 Corriente de Tierra: Una corriente que fluye hacia o fuera de la tierra o su equivalente que actúa como una tierra.
3.12 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipación de la corriente de tierra en la tierra.
3.13 Malla de Tierra: Una placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos muy próximos entre sí que están conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas
por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de protección minimizando el peligro de la exposición a altas tensiones de paso o contacto en un área de operación crítica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la
superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra.
3.14 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El máximo potencial eléctrico que la malla de puesta a tierra de una subestación puede alcanzar en relación a un punto de conexión a tierra lejana que se supone que está al potencial de tierra
remota. Esta tensión, GPR, es igual a la corriente máxima de la malla por la resistencia de la malla.
NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idéntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestación a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia.
3.15 Circuito de Retorno a Tierra: Un circuito en el que la tierra o un cuerpo conductor equivalente se utiliza para completar el circuito y permite la circulación de corriente desde o hacia su fuente de corriente.
3.16 Mallado de Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base común de tierra para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, por lo general en una ubicación específica.
NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra también son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red típica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a más electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia.
3.17 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un área específica.
3.18 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los componentes metálicos designados de la subestación de aislamiento a gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestación.
3.19 Máxima Corriente de Malla:
(3)
Un valor de diseño de la corriente máxima de la malla, que se define de la siguiente manera
Donde
IG es la corriente máxima de la malla en A.
Df es el factor de disminución para toda la duración tf de la falla, en seg.
Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica de la malla en A
3.20 Tensión de Malla: La máxima tensión de contacto dentro de una malla de una malla de tierra.
3.21 Tensión de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies.
NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensión de contacto metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metálicos internos en la subestación, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestación aislada por gas (GIS), la tensión de
contacto metal a metal entre los objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables, debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.
En una subestación convencional, la peor tensión de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance máximo. Sin embargo, en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies, en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS.
3.22 Cerramiento Discontinuo: Una recinto de bus con las secciones consecutivas del
alojamiento del mismo conductor de fase aislada eléctricamente (o aislados entre sí), de modo que no puede fluir la corriente más allá de cada sección de la caja.
3.23 Electrodos de Tierra Primaria: Un electrodo de tierra específicamente diseñado o adaptado para descargar corriente de la falla a tierra a la tierra, a menudo en un patrón de descarga específica, según sea necesario (o llamado implícitamente) por el diseño del sistema de puesta a tierra.
3.24 Tensión de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningún objeto a tierra.
3.25 Reactancia Subtransitoria: Reactancia de un generador en el inicio de una falla. Esta reactancia se utiliza en cálculos de la corriente de falla inicial simétrica. La corriente continua se reduce, pero se supone que se mantuvo en este valor en un primer paso, con una duración de aproximadamente 0,05 s después de un error de aplicación.
3.26 Material de Superficie: Un material instalado sobre el suelo que consiste en, pero no limitado a, roca o piedra triturada, asfalto, o materiales de origen humano. El material de revestimiento, en función de la resistividad del material, puede impactar significativamente en la corriente que pueda circular por el cuerpo para las tensiones de tacto y de paso.
(4)
3.27 Corriente Simétrica de la Malla: La parte de la corriente de falla a tierra que fluye simétrica entre las puestas a tierra de la red y la tierra circundante. Puede ser expresado como
Donde
Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica de la malla en A
If es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simétricas de tierra en A
Sf es el factor de división de la corriente de falla
3.28 Corriente de Falla a Tierra Simétrica: El valor rms como máximo valor de corriente de falla simétrica después de la instantánea de una iniciación de falla a tierra.
Como tal, representa el valor eficaz de la componente simétrica en la primera mitad del ciclo de una onda de corriente que se desarrolla después del instante de fallo en el momento cero.
(5)
Para las fallas fase-tierra
Donde
I0 " es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simétrica de secuencia cero que se
desarrolla inmediatamente después de la iniciación inmediata de la falla, reflejando las reactancias subtransitoria de máquinas rotativas que contribuyen a la falla.
Esta corriente de falla RMS simétrica se muestra en una notación abreviada como If, o conocida sólo como 3I0.
La razón subyacente de la última anotación es que, para fines de esta guía, la corriente inicial simétrica de falla se supone que permanece constante para toda la duración de la falla.
3.29 Tensión de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona está de pie y, al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexión a tierra.
3.30 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensión de contacto en caso de transmisión de voltaje que entra o sale de la subestación a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestación.
3.31 Voltaje Transitorio Encerrado (TEV): Muy rápidos fenómenos transitorios, que se encuentran en cerramientos aterrados de sistemas GIS. Típicamente, los cables de tierra son demasiado largos (inductivo) en las frecuencias de interés para prevenir eficazmente la
aparición de TEV. El fenómeno también es conocido como aumento de tierra transitoria (TGR) o aumento de potencial de tierra transitorio (TGPR).
3.32 Transitorios Veloces (VFT): Una clase de transitorios generados internamente dentro de una subestación aislada por gas (GIS), caracterizada por corta duración y de muy alta frecuencia. VFT es generado por el rápido colapso de tensión durante la degradación del gas aislante, ya sea a través de los contactos de un dispositivo de conmutación o línea a tierra durante una falla. Estos transitorios pueden tener tiempos de subida en el orden de
nanosegundos lo que implica un contenido de frecuencia que se extiende a cerca de 100 MHz. Sin embargo, las frecuencias de oscilación dominantes, que van con el tamaño físico de los buses GIS, por lo general están en el rango de 20-40 MHz.
3.33 Transitorios de Sobretensión Veloces (VFTO): Sistema de sobretensiones que resultan de la generación de VFT. Mientras VFT es uno de los principales constituyentes de VFTO, algunos componentes de baja frecuencia (≅ 1 MHz) pueden estar presentes como consecuencia de la descarga de la resistencia interna despreciable (transformadores de tensión). Por lo general, VFTO no superará 2,0 por unidad, aunque magnitudes más grandes son posibles en casos concretos.
3.34 Relación X / R: Relación entre el sistema de reactancia a la resistencia. Es indicativo de la velocidad de desintegración de cualquier desplazamiento DC. Una gran X / R corresponde a una constante de tiempo grande y un bajo índice de decadencia.
4. La Seguridad en la Toma de Tierra. 4.1 Problemas Básicos
• •
Proporcionar los medios para transportar corrientes eléctricas a la tierra en condiciones normales y de anomalías sin exceder cualquier límite de operación o funcionamiento de equipo o atentar contra la continuidad del servicio.
Para asegurar que una persona en las inmediaciones de las instalaciones del mallado de tierra no esté expuesto al peligro de una descarga eléctrica crítica.
-
Un enfoque práctico para la seguridad de la conexión a tierra se refiere pues, y se esfuerza para controlar la interacción de dos sistemas de puesta a tierra, de la siguiente manera:
-
El aterramiento intencional, que consiste en electrodos a tierra enterrados a cierta profundidad debajo de la superficie de la tierra.
El aterramiento accidental, temporalmente establecido por una persona expuesta a un gradiente de potencial en las proximidades de una instalación de puesta a tierra. Las personas a menudo asumen que cualquier objeto conectado a tierra puede ser tocado con seguridad. Una baja resistencia de tierra en la subestación no es, en sí misma, una
garantía de seguridad. No existe una relación sencilla entre la resistencia del sistema de tierra en su conjunto y el choque de corriente máxima a que pueda tener una persona expuesta. Por lo tanto, una resistencia de tierra relativamente baja en una subestación puede resultar peligroso, mientras que en otra subestación con una resistencia muy alta puede ser segura o puede alcanzarse mediante un diseño cuidadoso. Por ejemplo, si una subestación se
suministra a partir de una línea aérea con ningún escudo o cable de neutro, una red de baja resistencia es importante. La mayoría o la totalidad de la corriente de falla total a tierra entra en la tierra causando un pronunciado aumento del potencial de tierra local [Véase la figura 2 (a)]. Si un escudo de alambre, cable neutro, bus con aislamiento en gas, o alimentador de cable subterráneo, etc., se utiliza, una parte de la corriente de falla se devuelve a través de esta conexión metálica directamente a la fuente. Desde este enlace metálico proporciona una ruta de baja impedancia en paralelo al circuito de retorno, el ascenso del potencial de tierra local es en última instancia, de magnitud menor [véase la figura 2 (b)]. En cualquier caso, el efecto de la parte de corriente de falla que entra en la tierra dentro del área de la subestación deben ser analizadas. Si la geometría, la ubicación de los electrodos de tierra, las
características locales del suelo y otros factores contribuyen a un gradiente de potencial excesivo en la superficie de la Tierra, el sistema de puesta a tierra puede ser insuficiente a pesar de su capacidad para llevar la corriente de falla en las magnitudes y duraciones permitidas por los relés de protección.
La cláusula 5 a la 8 detalla las principales hipótesis y criterios que permiten la evaluación de todos los factores necesarios para proteger la vida humana, el elemento más preciado del circuito accidental.
4.2 Condiciones de Peligro
En condiciones típicas de falla a tierra, el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potenciales dentro y alrededor de una subestación. La Figura 3 muestra este efecto para una subestación con una malle (rejilla) rectangular con simple conexión a tierra en un suelo homogéneo.
Figura 3 - contornos equipotenciales para una malla (rejilla) de puesta a tierra típica con y sin barras de tierra
A menos que se tomen las debidas precauciones en el diseño, los gradientes de potencial máxima a lo largo de la superficie terrestre pueden ser de suficiente magnitud como en condiciones de falla a tierra para poner en peligro a una persona en la zona. Por otra parte, existe el riesgo de tensiones entre las estructuras de toma de tierra o equipos de marcos y la tierra cercana.
a)
Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por descargas eléctricas son las siguientes:
b)
Relativamente alta corriente falla a tierra en relación con el área de sistemas de tierra y su resistencia a la tierra remota.
c)
Resistividad del suelo y la distribución de las corrientes de tierra de tal manera que altos gradientes de potencial se pueden producir en los puntos en la superficie de la tierra.
d)
Presencia de un individuo en tal punto, tiempo, y posición que el cuerpo es puente entre dos puntos de diferentes potenciales altos.
e)
La ausencia de suficiente resistencia de contacto u otra resistencia en serie para limitar la corriente a través del cuerpo a un valor seguro en circunstancias de la “a” a la “c”. Duración de la falla y del contacto del cuerpo, por lo tanto, del flujo de corriente a través de un cuerpo humano durante un tiempo suficiente para causar daño con la intensidad
de corriente dada.
La relativa escasez de los accidentes se debe principalmente a la baja probabilidad de coincidencia de todas las condiciones desfavorables mencionadas anteriormente. 5. Rango de Corriente Tolerable
Efectos de una corriente eléctrica que pasa a través de las partes vitales del cuerpo humano dependen de la duración, magnitud y frecuencia de esta corriente.
La consecuencia más peligrosa de tal exposición es una condición cardíaca conocida como fibrilación ventricular, lo que resulta en la retención inmediata de la circulación sanguínea. 5.1 Efecto de la Frecuencia
Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente eléctrica a frecuencias de 50 Hz o 60 Hz. Corrientes de aproximadamente 0,1 A puede ser letal. Las investigaciones indican que el cuerpo humano puede tolerar un poco mayor de 25 Hz en curso y
aproximadamente cinco veces mayor en corriente continua. En las frecuencias de 3000-10000 Hz, las corrientes aún mayor puede ser tolerada (Dalziel y Mansfield [B33]; Dalziel, Ogden, y [Abbott B36]). En algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy
elevadas debido a las tormentas ciclónicas. La Comisión Electrotécnica Internacional
proporciona curvas tolerable para la corriente en el cuerpo en función de la frecuencia y para las corrientes de descarga capacitiva [IEC 60479-2 (1987-03)] B83 [)]. Otros estudios de los efectos tanto directos como de las corrientes de impulsos oscilatorios se reportan en Dalziel [B25] [B27].
La información relativa a problemas especiales de puesta a tierra de corriente continua está contenida en el informe de 1957 del Comité de Subestaciones AIEE [B21]. Los peligros de una descarga eléctrica producida por los efectos electrostáticos de líneas de transmisión aérea se examinan en la Parte 1 del informe de 1972 de la Subcomisión de Sistemas
Generales [B88]. Información adicional sobre los efectos electrostáticos de las líneas aéreas de transmisión se puede encontrar en el capítulo 8 del Libro Referencia del EPRI Línea de Transmisión de 345 kV y por encima [B57].
5.2 Efecto de la Magnitud y Duración
Los efectos fisiológicos más comunes de la corriente eléctrica sobre el cuerpo, se indican en orden creciente de la intensidad de la corriente, son la percepción de umbral, la contracción muscular, pérdida del conocimiento, la fibrilación del corazón, bloqueo del nervio respiratorio, y las quemaduras (Geddes y Baker [B74]; IEC 60479 -1 (1994-09) [B82]).
Una Corriente de 1 mA se reconoce generalmente como el umbral de percepción, es decir, la magnitud de corriente en que una persona es capaz de detectar una ligera sensación de hormigueo en las manos o dedos causada por el paso de la corriente (Dalziel [B27]).
Las corrientes de 1-6 mA, a menudo denominadas corrientes de abandono, aunque
desagradables para sostener, en general no ponen en peligro la capacidad de una persona que ostente un objeto energizado para el control de sus músculos y liberarlo.
El experimento clásico de Dalziel con 28 mujeres y 134 hombres proporcionan datos que indican un promedio de corriente de abandono total de 10,5 mA para las mujeres y 16 mA para los hombres, y 6 y 9 mA como los valores límites respectivos (Dalziel y Massogilia [B34]). En el rango de 9-25 mA, las corrientes pueden ser dolorosas y puede hacer difícil o imposible para liberar objetos energizados agarrados por la mano. Para corrientes aún más altas las contracciones musculares pueden dificultar la respiración. Estos efectos no son permanentes y desaparecen cuando la corriente se interrumpe, a menos que la contracción sea muy grave y la respiración se detiene durante unos minutos en lugar de segundos. Sin embargo, incluso estos casos suelen responder a la reanimación (Dalziel [B29]).
No es hasta magnitudes de corrientes en el rango de 60-100 mA que se llega a que puedan ocurrir la fibrilación ventricular, paro del corazón, o la inhibición de la respiración y causar lesiones o la muerte.
Una persona entrenada en resucitación cardiopulmonar (RCP) debe administrar RCP hasta que la víctima pueda ser tratada en un centro médico (Dalziel [B30]; Dalziel y Lee [B31]). Por lo tanto, esta guía hace hincapié en la importancia del umbral de fibrilación. Si las corrientes de choque pueden mantenerse por debajo de este valor por un sistema
cuidadosamente diseñado de puesta a tierra, las lesiones o la muerte puede ser evitado. Como muestra Dalziel y otros (Dalziel, Lagen, y Thurston [B35]; Dalziel y Massogilia [B34]), la magnitud de corrientes para no fibrilación IB
(6)
en duraciones que van 0,03-3,0 s se relaciona con la energía absorbida por el cuerpo como se describe por la siguiente ecuación:
Donde
IB es la magnitud rms de la corriente a través del cuerpo en A
ts es la duración de la exposición a la corriente en s
SB es la constante empírica relacionada con la energía de choque eléctrico tolerado por un
cierto porcentaje de una población determinada
Una discusión más detallada de la ecuación (6) se prevé en la Cláusula 6. 5.3 Importancia del Despeje de la Falla a Alta Velocidad
Teniendo en cuenta la importancia de la duración de la falla tanto en términos de la ecuación (6) e, implícitamente, como un factor de exposición de accidentes, la alta velocidad de
despeje de las fallas a tierra es ventajosa por dos razones: a)
b)
La probabilidad de exposición a la descarga eléctrica se reduce por rápido tiempo de despeje de la falla, en contraste con situaciones en las que las corrientes de falla puede persistir durante varios minutos o incluso horas.
Las pruebas y la experiencia muestran que la probabilidad de sufrir lesiones graves o la muerte se reduce considerablemente si la duración de un flujo de corriente a través del cuerpo es muy breve.
El valor de corriente puede permitirse, por lo tanto, basarse en el tiempo de despeje de los dispositivos de protección primaria, o el de protección de respaldo. Un buen ejemplo podría ser por el uso de tiempo de despeje primario debido a la baja probabilidad combinada de que un mal funcionamiento del relé coincidirá con todos los demás factores adversos necesarios para un accidente, tal como se describe en la Cláusula 4. Es más conservador de elegir el tiempo de despeje del relé de respaldo en la ecuación (6), porque aseguran una mayor margen de seguridad.
Un incentivo adicional para utilizar tiempos de conmutación menores de 0,5 s resulta de las investigaciones realizadas por Biegelmeier y Lee [B9]. Su investigación demuestra que un corazón humano se convierte cada vez más susceptibles a la fibrilación ventricular cuando el tiempo de exposición a la corriente se aproxima al del periodo del latido del corazón, pero que el peligro es mucho menor si el tiempo de exposición a la corriente se encuentra en la región de 0.06-0.3 s.
En realidad, los altos gradientes de fallas de tierra suelen ser poco frecuentes, y los choques de los altos gradientes de fallas de tierra son aún más infrecuentes. Además, ambos
acontecimientos son a menudo de muy corta duración. Por lo tanto, no sería práctico para el diseño contra las perturbaciones que no son más dolorosas y no causan lesiones graves, es decir, para las corrientes por debajo del umbral de fibrilación.
6. Corriente Límite Tolerable por el Cuerpo
La magnitud y duración de la corriente conducida a través de un cuerpo humano en 50 ó 60 Hz debe ser menor que el valor que puede causar fibrilación ventricular del corazón.
6.1 Fórmula de Duración
(7)
La duración para la que una Corriente de 50 o 60 Hz puede ser tolerada por la mayoría de las personas está relacionada con su alcance de acuerdo con la ecuación (6). Basándose en los resultados de los estudios Dalziel (Dalziel [B26]; Dalziel y Lee [B32]), se supone que el 99,5% de todas las personas de manera segura puede soportar, sin fibrilación ventricular, el paso de una corriente con la magnitud y duración determinada por la siguiente fórmula:
Donde, además de los términos previamente definidos para la ecuación (6)
para un cuerpo de 50 kg (8)
Dalziel descubrió que la energía de choque que puede sobrevivir por un 99,5% de personas de aproximadamente 50 kg (110 lb) resulta en un valor de SB de 0,0135. Por lo tanto, K50 = 0,116 y la fórmula para la corriente permitida por el cuerpo se convierte en:
La ecuación (8) resulta en valores de 116 mA para t = 1 s y 367 mA para t = 0,1 s. Debido a que la ecuación (7) se basa en pruebas limitadas a un rango de entre 0,03 s y 3,0, es evidente
que no es válida para las duraciones muy cortas o largas. Con los años, otros investigadores han sugerido otros valores de IB. En 1936, Ferris et al. [B66] sugirió 100 mA como el umbral de fibrilación. El valor de 100 mA se derivó de extensos experimentos en la Universidad de Columbia. En los experimentos, animales que tenían peso corporal y corazón comparables a los seres humanos fueron sometidos a la duración de una descarga máxima de 3 s. Algunos de los experimentos más recientes sugieren la existencia de dos umbrales diferentes: uno en el que la duración del choque es más corta que el periodo del latido del corazón y otro donde la duración de la corriente es más de un latido del corazón. Para un adulto de máximo 50 kg (110 libras), Biegelmeier [B7] [B8] propuso los valores de umbral a 500 mA y 50 mA,
respectivamente. Otros estudios sobre este tema se llevaron a cabo por Lee y Kouwenhoven [B31] [B95] [B99]. La ecuación para corriente por el cuerpo tolerable desarrollado por Dalziel es la base para la obtención de voltajes tolerables utilizados en esta guía.
6.2 Hipótesis Alternativas
La corriente de fibrilación se supone que es una función del peso individual, como se ilustra en la Figura 4. La figura muestra la relación entre el peso de corriente crítica y el cuerpo de varias especies de animales (terneros, perros, ovejas y cerdos), y una región del 0,5% umbral común para los mamíferos.
En la edición 1961 de esta guía, las constantes de SB y k en la ecuación (6) y la ecuación (7), se expresaron en 0,0272 y 0,165, respectivamente, y se había supuesto válido para el 99,5% de todas las personas de alrededor de 70 kg (155 libras). Otros estudios por Dalziel [B28] [B32], en el que la ecuación (7) se basa, conducen a la alternativa de valor k = 0,157 = 0,0246 y la SB que pueden aplicarse a personas con un peso de 70 kg (155 lb). Así
valores de la constante k para valores RMS efectivos de IB (k=√𝑡𝑡𝑡𝑡):
K70 K = 0.091 √𝟑𝟑 = 0.157 50 K = 0.067 √𝟑𝟑 = 0.116 50 Fibrilación = 0.107 √𝟑𝟑 = 0.185
Figura 4- corriente de fibrilación en función del peso corporal para varios animales
Para un cuerpo de 70 kg (9)
sobre la base de una duración de tres segundos de la descarga eléctrica
Los usuarios de esta guía podrá seleccionar k = 0.157 siempre que el peso promedio de la población se puede esperar que sea por lo menos 70 kg.7 La ecuación (7) indica que
corrientes por el cuerpo mucho mayores puede ser permitidas donde la operación de los dispositivos de protección sea rápida y pueden ser invocados para limitar la duración de la falla. Una decisión de juicio se necesita en cuanto a si utilizar el tiempo de despeje de los relés primarios de alta velocidad, o el de la protección de respaldo, como base para el cálculo. 6.3 Comparación de las Ecuaciones Dalziel y la Curva de Biegelmeier
La comparación de la ecuación (8), la ecuación (9), y la curva Z de la corriente del cuerpo en función del tiempo desarrollado por Biegelmeier que fue publicado por Biegelmeier y Lee [B9] se muestra en la Figura 5. La curva de Z tiene un límite de 500 mA para tiempos cortos de hasta 0,2 s, y luego disminuye a 50 mA en 2,0 s y más allá.
Figura 5 – Corriente en el Cuerpo en función del tiempo
7
Por lo general, estas condiciones pueden cumplirse en lugares que no son accesibles al público, como en subestaciones protegidos por cercas o paredes, etc. Dependiendo de las circunstancias específicas, la evaluación debe hacerse si un criterio de 50 kg la ecuación (8)
Utilizando la ecuación (8), la corriente tolerable por el cuerpo será menor que la curva Z Biegelmeier para tiempos de 0,06 s hasta el 0,7 s.
6.4 Nota sobre la Re-Conexión
La re-conexión después de una falla a tierra es común en la práctica moderna de operación. En tales circunstancias, una persona puede ser sometida a la primera descarga sin daño permanente. A continuación, una simple re-conexión automática instantánea puede resultar en un segundo choque, iniciado en menos de 0,33 s desde el inicio de la primera. Es este segundo choque, que ocurre después de un intervalo relativamente corto de tiempo antes de que la persona se haya recuperado, que podrían causar un accidente grave. Con la
re-conexión manual, la posibilidad de exposición a un segundo choque se reduce porque el intervalo de tiempo de re-conexión puede ser bastante mayor.
El efecto acumulativo de dos o más choques muy próximos entre sí no ha sido evaluado a fondo, pero una cantidad razonable se pueden hacer mediante la suma de las distintas duraciones de choque como el tiempo de una sola exposición.
7. Circuito de Tierra Accidental
7.1 La Resistencia del Cuerpo Humano
Para DC y corriente alterna de 50 o 60 Hz, el cuerpo humano se puede aproximar a una resistencia. La trayectoria de la corriente se considera típicamente de una mano a los dos pies, o de un pie al otro. La resistencia interna del cuerpo es de aproximadamente 300 Ω, mientras que los valores de la resistencia del cuerpo incluyendo la piel esta en el rango de 500 a 3000 Ω, como se sugiere en Daziel [B26], Geddes y Baker [B74], Gieiges [B75], Kiselev [B94], y Osypka [B118]. La resistencia del cuerpo humano se reduce por el daño o punción de la piel en el punto de contacto.
Como se mencionó en el punto 5.2, Dalziel [B34] llevaron a cabo extensas pruebas con agua salada en las manos y los pies para determinar las corrientes de abandono seguras, con las manos y los pies mojados. Los valores obtenidos con 60 Hz para los hombres fueron los siguientes: la corriente de 9,0 mA, voltajes correspondientes fueron de 21,0 V para la mano-a-mano y 10,2 V para la mano-a-mano-a-pie. Por lo tanto, la resistencia AC para un contacto mano a mano es igual a 21.0/0.009 o 2330 Ω, y la resistencia cuerpo a los pies es igual a 10.2/0.009 o 1130 Ω, sobre la base de este experimento.
Por lo tanto, a los efectos de esta guía, las resistencias siguientes, en serie con la resistencia del cuerpo, se supone lo siguiente:
a) b)
Resistencia de contacto de manos y pies son iguales a cero. Resistencia de guantes y zapatos son iguales a cero.
R
Un valor de 1000 Ω en la ecuación (10), lo que representa la resistencia de un cuerpo humano de cuerpo a los pies y también de la mano-a-mano, o de un pie al otro pie, se utilizan en esta guía.
7.2 Rutas de Corrientes a través del Cuerpo
Hay que recordar que la elección de un valor de 1000 Ω de resistencia se refiere a rutas como las que existen entre la mano y un pie o ambos pies, donde una parte importante de la
corriente pasa a través de partes del cuerpo que contengan los órganos vitales, incluyendo el corazón. En general se convino en que la corriente que fluye de un pie al otro es mucho menos peligrosa. Al referirse a las pruebas realizadas en Alemania, Loucks [B100] mencionó que corrientes mucho más altas pie a pie y mano-a-pie tenían que ser utilizadas para producir el mismo efecto que una baja corriente en la región del corazón. Afirmó que la relación es tan alta como 25:1.
Basándose en estas conclusiones, la resistencia a los valores superiores a 1000 Ω,
posiblemente, se podría permitir, cuando se trate de un camino desde un pie al otro pie. Sin embargo, los siguientes factores deben ser considerados:
a)
b)
Un voltaje entre los dos pies, doloroso pero no fatal, puede causar una caída que podría causar un mayor flujo de corriente a través del área del pecho. El grado de este riesgo adicional dependerá de la duración de fallas y la posibilidad de otro choque sucesivo, tal vez vuelva a cerrarse.
Una persona puede estar trabajando o descansando en una posición inclinada cuando se produce un fallo.
Es evidente que los peligros de contacto pie a pie, son mucho menores que los de otro tipo. Sin embargo, como las muertes se han producido desde el caso a) anterior, es un peligro que no deben pasarse por alto (Bodier [B14]; Langer [B96]).
7.3 Circuito Equivalente Accidental
Usando el valor de la corriente por el cuerpo tolerable establecida por cualquiera de la
ecuación (8) o la ecuación (9) y las constantes del circuito adecuado, es posible determinar la tensión admisible entre dos puntos de contacto.
Las siguientes anotaciones se utilizan para el circuito equivalente accidental que se muestra en la Figura 6:
Ib es la corriente del cuerpo (el cuerpo es parte del circuito accidental) en A
RA es la resistencia total efectiva del circuito accidental en Ω
VA es la tensión total efectiva del circuito accidental (tensión de tacto o de paso) en V
La corriente tolerables del cuerpo, IB, que se define en la ecuación (8) o la ecuación (9), se
utiliza para definir la tensión total tolerable eficaz del circuito accidental (tensión de toque o de paso): la tensión total tolerable eficaz del circuito accidental es la tensión que causa el flujo de la corriente del cuerpo, Ib, igual a la corriente tolerable del cuerpo, IB.
La Figura 6 muestra la corriente de falla If cuya descarga a la tierra por el sistema de puesta a
tierra de la subestación y una persona que toque una estructura metálica conectada a tierra en H. Varias impedancias se muestra en el circuito en la Figura 7. El terminal H es un punto en el sistema al mismo potencial de la malla en el que la corriente de falla fluye y el terminal F es el área pequeña en la superficie de la tierra que está en contacto con los dos pies de la persona. La corriente, Ib, fluye desde H a través del cuerpo de la persona a la tierra en F. El
teorema de Thevenin permite representar estos dos terminales (H, F) de la red de la figura 7, en el circuito de la figura 8 (Dawalibi, Southey, y Baishiki [B49]; Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]). La tensión de Thévenin V es el voltaje entre las terminales H y F cuando la persona no está presente. La impedancia de Thévenin ZTH es la impedancia del sistema visto desde los puntos H y F con las fuentes de tensión del sistema de cortocircuito. La corriente Ib
(11)
a través del cuerpo de una persona que entre en contacto con H y F es dada por
Figura 8 - circuito de tensión de contacto
Donde
RB es la resistencia del cuerpo humano en Ω
La figura 9 muestra la corriente de falla If descargándose al suelo por el sistema de puesta a
tierra de la subestación. La corriente, Ib, fluye de un pie F1 a través del cuerpo de la persona
al otro pie, F2. Los terminales F1 y F2 son las áreas en la superficie de la tierra que están en contacto con los dos pies, respectivamente. El teorema de Thevenin nos permite representar estos dos terminales (F1, F2) de la red en la Figura 10. La tensión de Thévenin V es la tensión entre los bornes F1 y F2 cuando la persona no está presente. La impedancia de Thévenin ZTh es la impedancia del sistema vista desde los terminales F1 y F2 con las fuentes de tensión del sistema en cortocircuito. La corriente Ib a través del cuerpo de una persona es
dada por la ecuación (11).
La impedancia equivalente de Thévenin, ZTH, es calculable con una serie de métodos (Dawalibi, Southey, y Baishiki [B49]; Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; ERPI EL-2699 [B60]; Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]; Laurent [B97]). En esta guía, las siguientes fórmulas conservadoras de la impedancia equivalente de Thévenin se utilizan.
Figura 10 - Circuito de tensión de Paso
Para circuito accidental de tensión de contacto
(12)
Y para circuito accidental de tensión de paso
(13)
Donde
Rf es la resistencia a tierra de un pie (con presencia del sistema de tierra de la
subestación omitida) en Ω
(14)
A los efectos del análisis de circuitos, el pie humano es generalmente representado como un disco metálico y la resistencia de contacto de los zapatos, calcetines, etc., se ignora. La resistencia a tierra en ohmios de un disco metálico de radio b (m) en la superficie de una tierra homogénea de ρ resistividad (Ω · m) viene dada por Laurent [B97]
Tradicionalmente, el disco metálico que representa el pie se toma como una placa circular con un radio de 0,08 m. Con una simple aproximación, las ecuaciones para ZTh se pueden
obtener en forma numérica y se expresa en términos de ρ de la siguiente manera. Para circuito accidental de tensión de contacto
(15)
Y para circuito accidental de tensión de paso
(16)
Sobre la base de investigación reportada en Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; Meliopoulos, Xia, Joy, y Cokkonides [B107], y Thapar, Gerez y Kejriwal [B143], las ecuaciones (15) y (16) son
conservadoras en el sentido de que subestiman la impedancia equivalente de Thévenin y, por tanto, dará lugar a corrientes del cuerpo superiores. La tensión total admisible equivalente (es decir, tensión de tacto y de paso tolerable), utilizando las ecuaciones (15) y (16), es
(17)
Y
(18)
7.4 Efectos de una Fina Capa de Material en la Superficie
La ecuación (14) se basa en la hipótesis de una resistividad del suelo uniforme. Sin embargo, una capa de entre 0,08-0,15 m (3-6 in) de material de alta resistividad, tales como grava, se extiende a menudo en la superficie de la tierra por encima de la malla de tierra para aumentar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación.
La relativa poca profundidad del material de la superficie, en comparación al radio equivalente del pie, se opone a la asunción de resistividad uniforme en la dirección vertical cuando se calculó la resistencia de tierra de los pies. Sin embargo, para una persona en el área de la subestación, el material de la superficie se puede asumir de extensión infinita en la dirección lateral.
Si el suelo subyacente tiene una resistividad más bajo que el material de la superficie, Sólo algunas corrientes de la malla irá hacia arriba a la capa delgada de material de la superficie, y la tensión de superficie será casi la misma que sin el material. La corriente a través del cuerpo se reducirá considerablemente con la adición del material en la superficie debido a la
resistencia de contacto mayor entre la tierra y los pies. Sin embargo, esta resistencia puede ser considerablemente menor a la de una capa superficial de espesor suficiente para asumir la resistividad uniforme en todas las direcciones. La reducción depende de los valores relativos de resistividades de la tierra y el material de la superficie, y del grosor del material. Lo contrario del principio de reducción de potencia también es cierto. Si el suelo subyacente tiene una resistividad mayor que el material de la superficie, una parte sustancial de la
corriente de la red irá hacia arriba a la capa delgada de material. Sin embargo, a diferencia del caso descrito en el párrafo anterior, los potenciales de superficie serán modificados
sustancialmente debido a la concentración de la corriente cerca de la superficie. Por lo tanto, la resistencia efectiva del material de la superficie no debe ser actualizada sin tener en cuenta este cambio en el potencial de superficie. Este problema puede resolverse mejor mediante el uso de análisis de suelos de varias capas (ver cláusula 13).
Una expresión analítica para la resistencia de tierra del pie sobre una fina capa de la superficie del material se puede obtener con el uso del método de las imágenes (Sunde [B130]; Thapar, Gerez, y Emmanuel [B142]; Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]) .8
8
Las expresiones para la resistencia de tierra del pie dada por la ecuación (16) a la (19) de la versión 1986 de esta guía se basa en el simple procedimiento de electrodos hemisféricos. Esta simplificación dio un valor más bajo de la resistencia de tierra del pie. El error fue significativo para valores bajos de profundidad de la capa superficial. Las nuevas expresiones revisadas para la resistencia a tierra de los pies que figuran en esta norma se basan en la representación de placa circular del pie.
La ecuación (19) a la (21) dan la resistencia de tierra del pie con el material en la superficie (Thapar, Gerez y Kejriwal] [B143).
(19)
(20)
(21)
Donde
Cs es el factor de reducción de la capa superficial
K es el factor de reflexión entre las diferentes resistividades de materiales ρs es la resistividad del material de la superficie en Ω · m
ρ es la resistividad de la tierra debajo del material de superficie en Ω · m hs es el espesor del material de la superficie en m
b es el radio del disco metálico circular que representa el pie en m
Rm (2nhs) es la resistencia de tierra mutua entre dos placas coaxiales, similares, en
paralelo, separados por una distancia (2nhs), en un medio infinito de la resistividad, ρs, en Ω·m
Para la determinación de Rm (2nhs), considera una placa delgada circular, D1, en el plano xy
con el eje z que pasa por su centro. El radio de la placa es b y descarga una corriente I en un medio infinito uniforme de resistividad, ρs
(22)
. Usando coordenadas cilíndricas, el potencial en cualquier punto (r, z) está dado por las siguientes ecuaciones (Jackson [B89]):
(23)
(24)
(25)
Considere la posibilidad de otro plato similar, D2, situada en paralelo y coaxial a la placa circular, D1, ya una distancia (2nh) de él. El potencial producido en D2 puede ser determinado mediante la evaluación de potencial medio sobre la superficie de la placa. Es dado por
(26)
Comparando las ecuación (14) y (19), Cs puede ser considerado como un factor de corrección
para calcular la resistencia efectiva del pie en presencia de un espesor finito de material de superficie. Debido a que la cantidad Cs es bastante aburrida para evaluar sin el uso de un
computador, estos valores han sido pre-calculados para b = 0,08 m y se dan en forma de gráficos en la Figura 11.
Espesor del material de superficie, hs
Figura 11 - C
(metros)
s versus hs
Los modelos por computadora también se han utilizado para determinar el valor de Cs
(Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; Meliopoulos, Xia, Joy, y Cokkonides [B107]). Hay una
correspondencia estrecha entre los valores obtenidos por estos modelos de computadoras con los valores dados en la Figura 11.
La siguiente ecuación empírica da el valor de Cs. Los valores de Cs obtenidos utilizando la
ecuación (27) están dentro del 5% de los valores obtenidos con el método analítico (Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]).
(27)
8. Criterios de Tensión Tolerable 8.1 Definiciones
NOTA-Las siguientes definiciones también se enumeran en la cláusula 3, pero se repiten aquí para comodidad del lector.
8.1.1 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El máximo potencial eléctrico que la malla de puesta a tierra de una subestación puede alcanzar en relación a un punto de conexión a tierra lejana que se supone que está al potencial de tierra remota. Esta tensión, GPR, es igual a la corriente máxima de la malla por la resistencia de la malla.
NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idéntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestación a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia.
8.1.2 Tensión de Malla: La máxima tensión de contacto dentro de una malla de una malla de tierra.
8.1.3 Tensión de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies.
NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensión de contacto metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metálicos internos en la subestación, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestación aislada por gas (GIS), la tensión de contacto metal a metal entre los objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables, debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.
En una subestación convencional, la peor tensión de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance máximo. Sin embargo, en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies, en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS.
8.1.4 Tensión de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningún objeto a tierra. 8.1.5 Tensión de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona está de pie y, al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexión a tierra.
8.1.6 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensión de contacto en caso de transmisión de voltaje que entra o sale de la subestación a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestación.
Figura 14 – Típica situación de tacto metal-metal en GIS
8.2 Situaciones Típicas de Choque
Las Figura 12 y 13 muestran cinco situaciones básicas que incluyen a una persona y las instalaciones de tierra durante una falla. Para contacto pie a pie, el circuito equivalente accidental es el de la Figura 9, y su conducción nominal U es igual a Es (tensión de paso).
Para los tres ejemplos de contacto mano-a-pie con la figura 12 se aplica, y U es igual a Et
(tensión de contacto), Em (tensión de la malla), o Etrrd (voltaje transferido), respectivamente. El
circuito accidental que implica el contacto metal-metal, ya sea de mano a mano o mano-a-pie, se muestra en la Figura 14 donde U es igual a la tensión de contacto metal-metal, Emm.
Durante una falla, la tierra conduce corrientes que emanan de la red y otros electrodos de tierra permanente, enterrado debajo de la superficie de la tierra. El resultado de gradientes de potencial tienen un efecto primario sobre el valor de U.
En el caso de las subestaciones convencionales, el caso típico de tensión de contacto metal a metal se produce cuando los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación no se adhieren a la red de tierra. Objetos tales como tuberías, rieles, o cercas que se
encuentran dentro o cerca del área de la malla de tierra de la subestación, y no están pegadas a la malla, cumplen con estos criterios. Tensiones considerables de toque metal a metal pueden estar presentes cuando una persona está de pie o toca un objeto conectado a tierra o estructura que entra en contacto con un objeto metálico o estructura dentro del área de la subestación que no está unido a la red de tierra. El cálculo de la tensión de contacto real metal-metal es compleja. En la práctica, los riesgos derivados del contacto metal a metal pueden mejor evitarse uniendo los puntos de potencial peligroso a la malla de tierra de la subestación.
Por lo general, el caso de tensión transferida se produce cuando una persona de pie en el área de la subestación toca un conductor puesto a tierra en un punto remoto, o una persona de pie en un punto remoto toca un conductor conectado a la malla de conexión a tierra de la subestación. Durante condiciones de falla, el potencial resultante a tierra son iguales o
superiores al completo GPR de una malla de conexión a tierra descargando la corriente de falla, en lugar de la fracción de esta tensión total encontrado en situaciones ordinarias de contacto de toque (ver Figura 13). De hecho, como se discute en la cláusula 17, la tensión transferida podrá ser superior a la suma de los GPRs de ambas subestaciones, debido a
voltajes inducidos en los circuitos de comunicación, estáticos o cables de neutro, tuberías, etc. No es práctico, y a menudo imposible, diseñar una malla de tierra sobre la base de la tensión de contacto causada por las tensiones exteriores transferidas. Los peligros de estas tensiones externas transferidas es mejor evitarlas mediante el uso de aislamiento o dispositivos de neutralización y por tratamiento y despejes de estos circuitos, tuberías, etc., como equivalentes a las líneas energizadas.
8.3 Criterios para Tensión de Toque y de Paso
La seguridad de una persona depende de la prevención de la cantidad crítica de energía de choque se absorba antes de que la falla se despeje y el sistema se des-energice. El voltaje máximo de conducción de cualquier circuito accidental no debe exceder de los límites definidos de la siguiente manera. Para tensión de paso es el límite
(28)
Para un peso corporal de 50 kg
(29)
Para un peso corporal de 70 kg
(30)
Del mismo modo, el límite de tensión de contacto es
(31)
Para un peso corporal de 50 kg
(32)
Para un peso corporal de 70 kg
(33)
Donde
Estep, es la tensión de paso en V
Etouch es la tensión de contacto en V
Cs se determina de la Figura 11 o la ecuación (27)
rs es la resistividad del material de superficie en Ω · m
Si no hay usada una capa superficial de protección, entonces C = 1 y ρ = ρs. El límite de
tensión de contacto metal-metal se derivan de las ecuaciones de tensión de contacto, ecuaciones (32) y (33). El contacto metal-metal, tanto de mano a mano y cuerpo a los pies, resultará en ρs = 0. Por lo tanto, la resistencia total del circuito accidental es igual a la
resistencia del cuerpo, RB. Con la sustitución de ρs = 0 en los términos de las ecuaciones de
la resistencia del pie (32) y (33), el límite de tensión de contacto metal-metal es Para un peso corporal de 50 kg
(34)
Para un peso corporal de 70 kg
(35)
Donde
Emm es el voltaje de toque metal-metal en V
La real tensión de paso, tensión de toque, o la tensión de contacto metal-metal deben ser inferiores a los límites máximos permisibles de tensión respectivas para garantizar la
seguridad. Los peligros de las tensiones transferidas externas es mejor evitarla a través del aislamiento o de dispositivos de neutralización y etiquetando estos puntos de peligro, como las líneas.
8.4 Situaciones Típicas de una Descarga en Subestaciones con Aislamiento a Gas En el análisis de puesta a tierra de las GIS, las consideraciones de tensión de contacto presentan varios problemas únicos. A diferencia de las instalaciones convencionales, las características de los equipos GIS una cubierta envolvente metálica de los interruptores
aislados a gas y buses internos de alta tensión. Cada bus está totalmente contenida dentro de su recinto y ellos conectados a tierra. Debido a que se induce un voltaje en la cubierta externa cada vez que un flujo de corriente en la barra de distribución coaxial, ciertas partes de la caja pueden estar en diferentes potenciales con respecto a la tierra de la subestación. Evaluar la tensión máxima que ocurre en el recinto del bus durante una falla, es necesario para
determinar la inductancia de la cubierta externa a tierra, la inductancia del conductor interno, y las inductancias mutuas para una configuración de fase determinada de buses individuales. Una persona que toque la envoltura externa de una GIS puede estar expuesta a tensiones derivadas de dos condiciones de falla básicas
a) b)
Una falla interna en el sistema de buses de aislamiento a gas, como una descarga disruptiva entre el bus conductor y la pared interna del cerramiento.
Una falla externa a las GIS en el que una corriente de falla fluye a través del bus de la GIS e induce corrientes en los recintos.
Porque la persona puede estar parado sobre una rejilla metálica conectada a tierra y el circuito accidental puede implicar un camino de corriente mano a mano y cuerpo a pies, el
análisis de los sistemas de tierra de las GIS deben tomarse en consideración la tensión de contacto metal a metal (véase la Figura 14 ).
La mayoría de los fabricantes de GIS consideran el recinto bien diseñado y adecuadamente conectado a tierra si la diferencia de potencial entre recintos individuales, y la diferencia de potencial entre uno de los recintos y otras estructuras de tierra, no exceda de 65-130 V durante una falla. Las ecuaciones de tensión de contacto metal-metal, (34) y (35), revelan que este nivel de tensión corresponde a los tiempos de falla que van desde 0,8 a 3,2 s para un criterio de 50 kg, y de 1,46 a 5,8 s para un criterio de 70 kg. Esta relación es, sin embargo, mejor percibida en la gráfica de la figura 15, que también ayuda a comprender el problema relacionado con los márgenes de seguridad suficientes.
Las condiciones de falla y los correspondientes circuitos equivalentes para determinar o verificar los parámetros de seguridad críticos de diseño de puesta a tierra de las GIS se detallan en la cláusula 10.
Figura 15 – Limites de tensión de toque para contacto metal-metal y un rango típico de tensiones carcasa a tierra
8.5 Efecto de las Corrientes de Tierra Sostenida
Después de que los límites de tensión de paso y de contacto seguro se establecieron, el sistema de puesta a tierra puede ser diseñado en base a la corriente de falla disponible y del tiempo de despeje total. El diseñador debe también considerar las magnitudes de fallas de bajo nivel del tipo sostenida (Debajo de los ajustes de relés de protección) que pueden estar por encima del umbral de la corriente de abandono. Algunas fallas sostenidas por encima del umbral de la corriente de abandono, pero por debajo del umbral de fibrilación, pueden causar asfixia por la contracción prolongada de los músculos del pecho. Sin embargo, no sería práctico diseñar contra choques menores que son dolorosos, pero no causan ningún daño permanente.
9. Principales Consideraciones de Diseño 9.1 Definiciones
NOTA-Las siguientes definiciones también se enumeran en la cláusula 3, pero repite aquí para comodidad del lector.
9.1.1 Electrodo de Tierra Auxiliar: Un electrodo de tierra con un diseño determinado o
limitaciones de funcionamiento. Su principal función no puede ser otra que la conducción de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.
9.1.2 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipación de la corriente de tierra en la tierra.
9.1.3 Malla de Tierra: Una placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos muy próximos entre sí que están conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas
por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de protección minimizando el peligro de la exposición a altas tensiones de paso o contacto en un área de operación crítica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la
superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra.
9.1.4 Mallado a Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base común de tierra para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, por lo general en una ubicación específica.
NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra también son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red típica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a más electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia.
9.1.5 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un área específica.
9.1.6 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los componentes metálicos designados de la Subestación de Aislamiento a Gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestación.
9.2 Concepto General
Un sistema de puesta a tierra se debe instalar de una manera que permita limitar el efecto de los gradientes de potencial de tierra a un voltaje y niveles de corrientes tales que no pongan en peligro la seguridad de las personas o equipos en condiciones normales y de fallas. El sistema también debe garantizar la continuidad del servicio.
En la discusión que sigue, se supone que el sistema de electrodos a tierra tiene la forma de una red de conductores enterrados horizontalmente, completa con una serie de barras verticales de tierra conectada a la red. Sobre la base de dos encuestas, la primera