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MÓDULO 6

“TRATAMIENTO DE NEUTRO Y PUESTA A TIERRA”

aeact-Módulo 6 - puesta a tierra - 2012.doc Página 2 de 46

ÍNDICE GENERAL

6 MÓDULO 6 “TRATAMIENTO DEL NEUTRO Y PUESTA A TIERRA” .............................3

6.1 GUÍA DE ESTUDIO .................................................................................................................................3

6.2 DESARROLLO TEMA 1: “DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS SOBRE SISTEMAS DE TIERRA”.........................3

6.2.1 CLASIFICACION DE LAS PUESTAS A TIERRA SEGÚN SU FUNCION .................................................................................3

6.2.2 DEFINICIONES Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA DE PROTECCION .............................................5

6.3 TEMA 2: REQUISITOS DE NEUTRO PUESTO A TIERRA Y VALORES MÁXIMOS DE PUESTAS A TIERRA. ................11

6.3.1 SECCIONES MÍNIMAS DE LOS CONDUCTORES DE NEUTRO EN EL CT ........................................................................11

6.3.2 CONTINUIDAD DEL NEUTRO EN EL CENTRO DE TRANSFORMACIÓN ...........................................................................12

6.3.3 IDENTIFICACIÓN DEL CONDUCTOR NEUTRO Y DE PUESTA A TIERRA ..........................................................................13

6.3.4 VALORES MÁXIMOS DE RESISTENCIAS DE PUESTA A TIERRA DE PROTECCION Y DE SERVICIO .....................................13

6.4 TEMA 3: CONDICIONES DE DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA PARA EL CONTROL DE TENSIONES DE CONTACTO.16

6.4.1 CRITERIOS GENERALES ......................................................................................................................................16

6.4.2 LÍMITES ADMISIBLES DE TENSIÓN PARA EL CUERPO HUMANO ..................................................................................16

6.4.3 DISEÑO DE PUESTA A TIERRA Y CONTROL DE LAS TENSIONES DE PASO Y CONTACTO. METODOLOGIA. ........................25

6.5 TEMA 4: DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES, EJECUCIÓN DE LAS PUESTAS A TIERRA Y CONEXIONADOS. .33

6.5.1 DIMENSIONADO EN RELACIÓN CON LA CORROSIÓN Y RESISTENCIA MECÁNICA ..........................................................33

6.5.2 DIMENSIONAMIENTO EN RELACIÓN AL ESFUERZO TÉRMICO .....................................................................................34

6.5.3 EJECUCIÓN Y MONTAJE DE LOS ELECTRODOS, Y CONEXIONADO .............................................................................36

6.5.4 CONEXIÓN DE LAS MASAS DEL CENTRO A LA TIERRA DE PROTECCIÓN ......................................................................37

6.6 TEMA 5: CONDICIONES DE INTERCONEXIÓN O SEPARACIÓN DE PUESTA A TIERRA DE SERVICIO Y DE PROTECCIÓN DEL

TRANSFORMADOR .................................................................................................................................................38

6.6.1 CENTROS DE TRANSFORMACIÓN MT/BT..............................................................................................................38

6.6.2 CENTROS DE TRANSFORMACIÓN MT/MT.............................................................................................................44

6.6.3 SEPARACIÓN ENTRE TOMAS DE TIERRA DEL CENTRO Y DE OTRAS INSTALACIONES...................................................44

6.7 TEMA 6: REQUISITOS PARTICULARES PARA CENTROS DE REDES RURALES DE MT CON RETORNO POR TIERRA45

6.7.1 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN Y SERVICIO DE MT DE LOS CENTROS DE TRANSFORMACIÓN AÉREOS DERIVADOS ..45

6.7.2 PUESTAS A TIERRA DEL CENTRO DE TRANSFORMACIÓN DE AISLAMIENTO DEL SISTEMA .............................................46


DISEÑO DE CENTROS DE TRANSFORMACION Y SUMINISTRO DE MT

6 MÓDULO 6 “TRATAMIENTO DEL NEUTRO Y PUESTA A TIERRA”

Objetivo

Efectuar un repaso de los requisitos establecidos por la Reglamentación en relación al tratamiento del neutro y de las puestas a tierra de las instalaciones de transformación, maniobra y suministro de MT, a fin de garantizar la seguridad de las personas y la integridad de las instalaciones y del propio sistema de tierras, y estudiar los distintos criterios de diseño y construcción de las instalaciones de puesta a tierra a efectos de su cumplimiento.

Introducción

Previo al tratamiento del diseño electromecánico de la instalación de un centro, es necesario definir la configuración del mismo en relación a su función y a la tipología de la red de distribución pública, las características básicas del equipamiento de maniobra y protección que debe disponerse, y en particular la potencia de transformación cuando cumpla esta función. Se analizarán a continuación los aspectos fundamentales de esta etapa, considerando los requerimientos reglamentarios, y condiciones funcionales que puedan requerirse a esas instalaciones.

6.1 GUÍA DE ESTUDIO

• Tema 1: Definiciones y conceptos básicos sobre sistemas de tierra.

• Tema 2: Requisitos de neutro y valores máximos de puesta a tierra.

• Tema 3: Condiciones de diseño de la puesta a tierra para el control de tensiones de contacto.

• Tema 4: Dimensionamiento de conductores, ejecución y conexionado del sistema de puesta a tierra y las masas.

• Tema 5: Criterios para la unificación o separación de los sistemas de tierra.

• Tema 6: Condiciones particulares para la puesta a tierra de sistemas de neutro por tierra de MT.

6.2 DESARROLLO TEMA 1: “DEFINICIONES Y CONCEPTOS BASICOS SOBRE SISTEMAS DE TIERRA”

6.2.1 CLASIFICACION DE LAS PUESTAS A TIERRA SEGÚN SU FUNCION

En general en un dado sistema eléctrico, y a efectos de poder brindar las condiciones de seguridad eléctrica necesarias ante una falla de aislación en un componente del mismo, es necesario establecer de forma previsible el camino de retorno de las corrientes que pudieran producirse ante esta falla, desde el elemento fallado hasta la fuente de alimentación.

Tanto en el caso en que se adopte un sistema en el que esta falla produzca una corriente significativa, o bien, en el caso que se adopte un sistema en el que se busque minimizar esta corriente, es necesario considerar


tanto cómo realizar la detección del elemento fallado y sacarlo de servicio si pudiera representar un riesgo para las personas o el funcionamiento del sistema, como también cómo diseñar el sistema mismo (por ejemplo, las aislaciones, los conductores de tierra, etc.) para que pueda operar de forma confiable.

Por lo tanto en un sistema se definen dos posiciones diferentes de puestas a tierra: la puesta a tierra de un punto de las fuentes de alimentación, y la puesta a tierra de las masas de las instalaciones asociadas, según se indica a continuación. No obstante es de aclarar que, como se discute luego de las definiciones, en las instalaciones que son fuente de un sistema, ambas funciones pueden desempeñarse con una única instalación de tierra.

6.2.1.1 Puesta a Tierra de Servicio

Puesta a tierra de un punto del circuito activo, que es necesaria para el normal funcionamiento de un equipo o instalación.

En los centros de transformación es aquella destinada a conectar en forma permanente a tierra el centro estrella (ó borne en transformador monofásico) correspondiente a el/los bobinado/s de los transformadores de distribución y el conductor neutro de la red, en MT o en BT según corresponda.

Las funciones principales de esta puesta a tierra es:

• Proveer la referencia de tierra del sistema.

• Limitar las sobretensiones temporales y transitorias.

Este punto ha sido tratado en el Módulo 3 del curso, y es oportuna la consideración de los conceptos tratados en el desarrollo del presente módulo.

6.2.1.2 Puesta a tierra de protección

Sistema de puesta a tierra de partes conductoras que normalmente no están bajo tensión (masas eléctricas y masas extrañas), destinado a proteger las personas, animales y bienes evitando que aparezcan diferencias de potenciales peligrosos entre éstas y respecto de tierra, en caso de un incidente.

Por lo tanto las funciones de esta puesta a tierra son:

• Limitar las diferencias de potencial entre las masas eléctricas y tierra

• Drenar las corrientes de falla y de descargas atmosféricas

A este sistema se conectan todas las masas metálicas (masas eléctricas tales como gabinetes de celdas, tableros de BT, bastidores de aparatos, blindajes y/o pantallas de cables etc.) y partes conductoras ajenas (masas extrañas) tales como estructuras, postes, cercos perimetrales, etc., que puedan quedar accidentalmente bajo tensión ante una falla o trasladar potenciales remotos, y sean simultáneamente accesibles, de forma de asegurar la equipotencialidad.


6.2.1.3 Situaciones en que una misma instalacion cumple las dos funciones

Es necesario considerar que, en las instalaciones que son fuente de un sistema eléctrico dado, habrá que establecer tanto la puesta a tierra de las masas como la de servicio. En estos casos, ambas funciones, bajo ciertas condiciones, pueden llegar a ser desempeñadas por una misma instalación de puesta a tierra.

En el caso de los centros de transformación MT/BT o MT/MT, habrá un lado que recibe alimentación de una red externa, y otro lado en que el centro será la fuente. Por lo tanto en éste se debe establecer la puesta a tierra del sistema abastecido, como también ofrecer un camino a tierra las corrientes de falla que se pudieran producir entre los conductores activos de este lado y las masas.

Por otra parte, en ciertos casos la línea de alimentación que vincula la fuente con las instalaciones abastecidas incluye un conductor conectado al punto de referencia puesto a tierra de la fuente. Tal es el caso de las pantallas de cable de MT, a efectos de asegurar el confinamiento de campo eléctrico en el cable, como el caso de líneas aéreas de MT (o subterráneas en algunos países) donde se utiliza como neutro para retorno de las corrientes de desequilibrio.

6.2.2 DEFINICIONES Y CONCEPTOS PARA EL DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA DE PROTECCION

6.2.2.1 Impedancia de tierra (de un sistema de puesta a tierra) ZE

Es la impedancia entre el sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia.

Esta impedancia comprende, además de la del dispersor propio de la instalación, todos los dispersores que están conductivamente interconectados con el sistema de tierra local. Por ejemplo comprende, además de los electrodos de tierra directamente conectados:

• Los conductores de tierra de líneas aéreas: hilos de guardia, neutros transportados múltiplemente puestos a tierra.

• Cables con corazas o pantallas en contacto directo con tierra (o cubiertas de material que no conforma una capa aislante), que se comporta como electrodo de tierra.

• Otros sistemas de tierra interconectados a través de pantallas de cable.

6.2.2.2 Tensión de contacto presunta

Es la tensión entre partes conductoras simultáneamente accesibles por una persona o un animal cuando las mismas no son tocadas (VEI 195-05-09).

Es la tensión que se mediría con un voltímetro de impedancia interna muy elevada, de forma que las corrientes que circulan por el sistema de tierra y la fuente son lo suficientemente pequeñas como para no producir modificaciones sobre la distribución de potenciales previa a la medición.

6.2.2.3 Tensión de contacto efectiva (Uc)

Es la tensión entre partes conductoras cuando son tocadas simultáneamente por una persona o un animal (VEI 195-05/11).

En este caso el valor de la tensión de contacto efectiva puede estar influenciado por la impedancia de la persona o animal en contacto. O sea, las corrientes que circulan por la persona y retornan hacia la fuente


pueden alterar la distribución de potenciales, resultando diferentes a la que existía previo a que el cuerpo humano hiciese contacto.

En general hay dos situaciones que pueden presentarse:

• El contacto entre piso y masas ubicadas al alcance asumiendo que la corriente fluye desde la mano a los pies: las normas HD 637 e IEEE 80 indican una distancia horizontal de 1 m)

• El contacto entre masas simultáneamente accesibles, por ejemplo, de mano izquierda a mano derecha.

6.2.2.4 Tensión de paso (Up)

Diferencia de potencial entre dos puntos sobre la superficie de la tierra que se encuentran a una distancia de 1 m entre sí, la cual es considerada como la longitud de paso de una persona (VEI 195-05-09).

A los efectos de verificar las condiciones de seguridad, la tensión de paso se evaluará en la dirección del máximo gradiente de potencial.

No obstante, el camino que recorre la corriente en el cuerpo humano prácticamente no involucra la zona del corazón, por lo que su incidencia en la fibrilación es muy baja, y además los potenciales captados son generalmente menores que con la trayectoria mano-pies, resultando entonces más relevante la verificación de las tensiones de contacto.

6.2.2.5 Sistema de puesta a tierra global

Sistema de puesta a tierra equivalente creado por la interconexión de los sistemas locales de puesta a tierra que asegura, por la proximidad de los sistemas de puesta a tierra, que no hay tensiones de contacto relevantes.

Tales sistemas permiten la división de corrientes de defecto a tierra de forma que resulta en una reducción de la subida de potencial de tierra en el sistema local de puesta a tierra.De tal sistema podría decirse que forma una superficie cuasi-equipotencial.

Esto es natural en áreas urbanas de alta densidad, donde las distintas instalaciones de transformación MT/BT están próximas y sus puestas a tierra están interconectadas tanto por las pantallas de cables de MT como por los neutros de BT, y a su vez del mismo modo están interconectadas las puestas a tierra de las distintas estaciones transformadoras de AT/MT. También puede ocurrir en instalaciones de MT de particulares en que la proximidad de los centros de carga deriven en la misma situación

6.2.2.6 Corriente de defecto a tierra (IF)

Ampliando la definición de la Reglamentación, es la corriente que circula ante falla de la aislación desde los conductores activos a las partes conductoras puestas a tierra, en el lugar del defecto.

6.2.2.7 Corriente a tierra (IE)

Es la corriente que circula a tierra a través de la impedancia a tierra.

Esta corriente se diferencia de la corriente de falla cuando las masas de la instalación fallada están, además de puestas a tierra, conectadas, a través de un conductor, con el punto conectado a la tierra de servicio en la/las instalaciones fuente del sistema.


Es el caso por ejemplo de un centro MT/BT alimentado por una terna de cables subterráneos unipolares de MT, cuyas pantallas en un extremo están conectadas a la puesta a tierra del neutro de la instalación origen del sistema MT (centro de estrella del transformador AT/MT), y en el otro extremo conectadas a la puesta a tierra de masas del centro MT/BT alimentado. Si en este último se produjera una falla a tierra, la corriente de falla se descompondrá en una corriente de tierra, y una corriente de retorno por pantalla.

Esto puede representarse de un modo esquemático en el siguiente circuito.

Ik1= Ifalla

IPAT = r.Ik1 = IE

Ik1 = 3.Io

UE

fuente

Rpat = ZE

Ik1. (1-r) UE

instalación

abastecida

Fuente

Tierra lejana

6.2.2.8 Factor de reducción

El factor de reducción de una línea trifásica es la relación entre la corriente (aportada por ésta ante una falla monofásica) que se drena a tierra y la suma de las corrientes de secuencia cero (homopolares) en los conductores de fase de ésta en un punto distante del lugar de cortocircuito y del sistema de puesta a tierra de una instalación.

Este factor es la proporción que representa la corriente que se drena efectivamente por el sistema de tierra asociado a la instalación, respecto de la corriente de falla monofásica a tierra que aporta la línea (que para este tipo de falla resulta igual a 3 veces la corriente de secuencia cero).

Es necesario aclarar al respecto que la corriente que se drena a tierra incluye no solo la parte que circula por el dispersor o conjunto de dispersores locales sino también por los dispersores interconectados a través de conductores múltiplemente puestos a tierra, incluso el propio conductor múltiplemente puesto a tierra de líneas de alimentación.

Esto se representa en el siguiente esquema, que se incluye en la Reglamentación, que se anexa a continuación de la definición de UE.

El factor de reducción para un conductor de retorno hacia la fuente suficientemente largo (y/o con puestas a tierra múltiples) para asumir que en un mismo punto tiene el mismo potencial que la tierra, se puede determinar mediante la siguiente expresión:

ss

mu

Z

Zr −=1


Donde:

• Zss: impedancia lazo conductor neutro-tierra

• Zmu: impedancia mutua fase-lazo conductor neutro-tierra.

• Un valor típico para cables subterráneos es 0,6, y para hilos de guardia 0,9.

6.2.2.9 Elevación de potencial de tierra (UE):

Tensión entre un sistema de puesta a tierra y la tierra de referencia. Resulta del producto de IE y ZE.

En la figura se representa un caso en que el punto fallado de la instalación recibe alimentación tanto del transformador con centro de estrella puesto a tierra como desde una línea. El caso es posible en sistemas que operen mallados.

Conductor de tierra

RET

3 Io

(1 – rE). 3Io

IRS

RES UE RET

Tierra de Referencia

IRS

RES Z∞Z∞UE

IE

IF 3 Io (1 – rE). 3Io

Conductor de faseCircuito Equivalente

Tierra de Referencia

ITr IF


A la falla aporta tanto la línea que accede al lado de la instalación en que se produce la falla (que se asume vinculada a fuentes), como desde la línea que accede al otro lado del transformador, a través de éste. Como el neutro del bobinado del transformador del lado de la falla está conectado al mismo sistema de tierra, el aporte a la corriente monofásica a tierra de éste no circula por la puesta a tierra sino que retorna directamente a través de los conductores de la propia instalación de tierra.

Por otra parte, dado que la línea que acomete a la misma etapa también posee un conductor que interconecta los puntos activos de referencia de la instalación fallada y de la instalación fuente remota, parte la corriente que ésta aporta a la falla retornará por éste. Esto provoca una reducción de proporción rE.

Se observa en el ejemplo que la corriente drenada a tierra sigue tres caminos:

• Corriente drenada en el propio dispersor de tierra de la instalación.

• Corriente drenada por dispersores externos conectados al conductor múltiplemente puesto a tierra de la línea que accede al lado de la instalación donde se produce el cortocircuito (línea que a su vez aporta al cortocircuito monofásico en forma directa)

• Corriente drenada por dispersores externos conectados al conductor múltiplemente puesto a tierra de la línea que alimenta el bobinado de transformador opuesto al lado donde se produce el cortocircuito (línea que aporta al cortocircuito a través del transformador).

Según la configuración de la instalación pueden presentarse parte o todos los caminos antes descriptos.

Por ejemplo:

• En un centro abastecido por una línea trifásica MT sin neutro transportado, toda la corriente de falla retorna por tierra. Si de este centro salen líneas BT con conductor neutro múltiplemente puesto a tierra en su recorrido, a través de éste retornará parte de la corriente de tierra.

3 I 0 Tres veces la corriente de secuencia cero (homopolar) de la línea. Es el aporte a la falla desde la línea I Tr Corriente a través de la puesta a tierra del neutro de transformador I F Corriente de defecto a tierra I E Corriente a tierra I RS Corriente a través de la resistencia a tierra del electrodo de tierra mallado r E Factor de reducción de la línea aérea R ES Resistencia a tierra del electrodo de tierra mallado R ET Resistencia a tierra de la torre Z ∞∞∞∞ La impedancia del conductor de tierra/pie de torre de la línea que se supone de extensión infinita U E Subida del potencial de tierra


• En un centro abastecido por una línea trifásica MT con neutro transportado múltiplemente puesto a tierra (o pantalla puesta a tierra en cada instalación alimentada), la corriente de falla retornará en parte por tierra y en parte por este conductor, y también retornará por él la parte de corriente que retorna por tierra.

RpatNbt

IE = r Ik1 = Ipmat + INmat + Ipat

ZE = Rpat // Zpmat // Znmat

UE = ZE x IE

r factor de reducción de la corriente en el sistema de tierra

Ik1.(1-r)

RpatCT

RpatNbt

Ik1

Ipat

Ipmat

INmat

UE

IE


• Si en un centro se produce una falla en el sistema secundario, y las líneas salientes no tienen fuentes que puedan aportar a la falla, la corriente de retorno se drena a tierra a través de la puesta a tierra de protección del centro y retorna a través de la puesta a tierra de neutro del sistema secundario. Si estas tierras están unificadas (cumpliendo las condiciones que se tratarán mas adelante) se cierran directamente a través de los conductores de conexión, no observándose elevación de potencial de tierra.

6.2.2.10 Impedancia de un conductor múltiplemente puesto a tierra:

En forma aproximada, se puede determinar la impedancia equivalente de un conductor en contacto con tierra contínuo, o puesto a tierra en múltiples puntos, mediante la expresión siguiente:

21 rzZcmat

⋅≈

z1: impedancia longitudinal del conductor con retorno por tierra (Ω/km)

1 / r2 Conductancia transversal a tierra por km (S/km). Para conductor puesto a tierra en múltiples puntos se adopta n / Rpat siendo “n” la cantidad de puestas a tierra por km

6.3 TEMA 2: REQUISITOS DE NEUTRO PUESTO A TIERRA Y VALORES MÁXIMOS DE PUESTAS A TIERRA.

Los sistemas de BT que se generen en los centros de transformación tendrán en general un esquema de conexión de neutro rígido a tierra. Los sistemas de MT que se generen en éstos tendrán en general un sistema de neutro rígido a tierra.

6.3.1 SECCIONES MÍNIMAS DE LOS CONDUCTORES DE NEUTRO EN EL CT

La Reglamentación establece secciones mínimas de conductor neutro a efectos de garantizar la continuidad eléctrica, la capacidad térmica y la integridad mecánica, según los mismos criterios empleados en otras normas y reglamentaciones:

• En sistemas con dos conductores (fase y neutro): igual a la del conductor de fase.

• En sistemas con cuatro conductores (tres fases y neutro): hasta 16 mm2 de cobre o aluminio, igual al del conductor de fase; para secciones superiores el neutro deberá tener una sección la mitad de la correspondiente al conductor de fase, con un mínimo igual a 10 mm2 para el cobre y 16 mm2 para el aluminio.

• Según el nivel de presencia de armónicos de secuencia homopolar, pueden requerirse secciones mayores para el neutro.

En este último punto debe considerarse especialmente si se abastecen cargas deformantes monofásicas, o trifásicas con neutro conectado. Los armónicos múltiplos de 3 resultan aproximadamente en fase, sobrecargando particularmente el neutro. En particular, si las cargas deformantes consituyeran un sistema simétrico, los armónicos de orden múltiplo de 3 de cada fase resultan estrictamente en fase y de igual valor, resultando una corriente armónica de valor 3 veces superior en el neutro.


6.3.2 CONTINUIDAD DEL NEUTRO EN EL CENTRO DE TRANSFORMACIÓN

Como se analizara en el Módulo 3, en el sistema BT abastecido por el centro de transformación debe garanzar la continuidad del neutro, por dos conceptos:

• Para asegurar el equilibrio de tensiones aplicadas en las cargas, por lo que no debe interrumpirse en neutro antes que los conductores de fase.

• En distribución pública de BT, el sistema se concibe como TN, por lo que el neutro debe observar continuidad en todo momento que la red esté alimentada, dado que el conductor neutro se conectará a las masas de las instalaciones de distribución y se pondrá a tierra localmente.

Por tal motivo la Reglamentación establece que:

• El conductor neutro no sea interrumpido por ningún dispositivo, o:

• Si se intercala en un dispositivo de corte multipolar, éste debe actuar sobre el neutro al mismo tiempo que en las fases, o establecer la conexión del neutro antes que las fases y desconectar éstas antes que el neutro.

• Se procurará evitar uniones intermedias en el conductor neutro de la línea de vinculación entre bornes BT del transformador y bornes de entrada del tablero de BT del centro.

• La conexión del neutro a tierra se hará mediante una conexión derivada hasta la barra de tierra a la que acomete el conductor de tierra. De este modo se evita que en la conexión a tierra circule corriente de carga, excepto la que retorne por tierra.

Si la instalación BT del inmueble del predio en que se encuentra un centro de transformación tuviese un esquema de conexión a tierra TN-S, el conductor PE de ésta se conectará a esta barra de tierra. En este caso, considerando que hay una barra de tierra del centro, y una barra de tierra y equipotencialización de la propia instalación de utilización en BT, se debe ejecutar una conexión equipotencial entre ambas, además de la interconexión entre neutro y esta última barra en el punto de inicio de la instalación BT, antes del dispositivo de corte principal. Este último dispositivo debe cumplir las condiciones establecidas en la Reglamentación para la Ejecución de Instalaciones en Inmuebles (REIEI).

Si la instalación fuese explotada por un único usuario, el tablero de BT del centro puede constituirse como tablero principal, debiendo cumplir éste los requisitos de la Reglamentación de Inmuebles.


PUESTA ATIERRADE SERVICIO

PUESTA A TIERRAADICIONALREALIZADA POREL USUARIO EN

SU INSTALACIÓNBR

Utilización BT

L1

L3

PE

PEN

L2

Alimentación MT/BT

L1

L3

PE

N

L2

BEP

MASA EXTRAÑA

CEP

B1R

PE PE

IAP

6.3.3 IDENTIFICACIÓN DEL CONDUCTOR NEUTRO Y DE PUESTA A TIERRA

Los colores de identificación son:

• Conductor neutro BT: Celeste (o encintado de ese color en partes visibles del cable).

• Conductor de protección de instalación BT para fuerza motriz, servicios auxiliares, iluminación: debe ser aislado, con color verde y amarillo (conforme REIEI).

• Conductor de protección de masas MT: se permite cable desnudo, con protección mecánica (y aislante si corresponde) en instalaciones exteriores expuestas.

6.3.4 VALORES MÁXIMOS DE RESISTENCIAS DE PUESTA A TIERRA DE PROTECCION Y DE SERVICIO

6.3.4.1 Valores de resistencia de puesta a tierra de protección de MT no unificada

Las tomas de tierra de protección, a la que se conectan las masas del lado MT, deberán tener un valor máximo de 10 Ohm.

Este valor está establecido sin perjuicio de la verificación de condiciones para la unificación de la puesta a tierra, que se analizará más adelante.

Este valor es indicado para:

• Acotar la tensión aplicada sobre el sistema secundario ante elevación de potencial de la tierra de protección MT, sea por averías de MT contra tierra, como por sobretensiones atmosféricas ingresadas en MT, recomendándose valores de resistencia inferiores en áreas con nivel ceráunico superior a 25 días de tormenta/año.


• Asegurar la actuación de las protecciones por sobrecorriente, sobre todo en caso que la falla se produzca aguas arriba del dispositivo de protección local.

Por otra parte, como se verá en el anteúltimo tema de esta unidad, y en la unidad de Protecciones, la elevación de potencial debido a una descarga de frecuencia industrial o atmosférica puede sobreexigir la aislación de BT del centro si éste sistema ésta conectado a una tierra diferente. En este caso puede ser necesario definir un nivel de aislación superior para el equipamiento de BT del centro, y eventualmente introducir una protección frente a descargas atmosféricas que limite la sobretensión si el centro estuviera expuesto a éstas.

6.3.4.2 Valores de resistencia de puesta a tierra de servicio de BT

En sistemas de AT y MT puestos a tierra por baja impedancia o de forma directa, una falla a tierra debe ser detectada y separada del resto de la instalación. Esto es naturalmente posible porque, con la tensión fase tierra del sistema, considerando el valor de la resistencia de falla generalmente y mas aún la resistencia de puesta a tierra de las masas de las instalaciones abastecidas, permite que se establezca una corriente que es detectable por las protecciones frente a sobrecorriente. Por otra parte, el riesgo que implica una falla no detectada hace imprescindible que la parte fallada sea desconectada.

En el caso de redes de BT, una falla directa a tierra o a una parte conductora ajena vinculada con tierra no es generalmente detectable por las protecciones de sobrecorriente de la red. Estas últimas sólo proveen protección ante fallas a masa de elementos pertenecientes al sistema, para lo cual se adopta el esquema TN.

Según la Reglamentación, a efectos de evitar la afectación en las instalaciones de la red BT vinculadas al centro y las instalaciones alimentadas ante contacto de un conductor de fase con la tierra o con una parte conductora extraña (no conectada al conductor PEN) vinculada con la tierra, se debe verificar que la resistencia total de puesta a tierra del neutro de la red BT (valor resultante si el neutro está múltiplemente puesto a tierra) tenga un valor tal que:

• La sobretensión en fase sana no supere los valores admitidos por la aislación de las instalaciones y aparatos conectados. Para los aparatos aptos para tensión nominal 220 V, la tensión fase-tierra máxima admitida es de 250 V.

• No permanezcan tensiones de contacto peligrosas en las masas de instalaciones de BT abastecidas en que se aplique el esquema de conexión a tierra TN. Para lo cual la tensión entre neutro y tierra no debe superar los 50 V (Reporte Técnico IEC 1200 Electrical Installation guide). Este valor permite controlar la tensión de contacto en todas las masas conectadas a neutro, cumpliendo con la tensión de contacto efectiva de 24 V admisible por el cuerpo humano por largo tiempo de exposición, además de cumplir con el requisito anterior.

• Permita la actuación de los interruptores por corriente diferencial de fuga de las instalaciones de BT abastecidas ante fallas a masa, sin que aparezca un desplazamiento de tensión de neutro que pueda originar los efectos mencionados en el párrafo anterior.

En la siguiente figura se representa una falla a tierra y las tensiones Neutro-Tierra (Uoo´) y de fase sana (Uso´)


La sobretensión de fase sana puede representarse con la expresión siguiente, en base a la que se obtuvo la gráfica que se presenta al lado:

2

´

12

1

4

3

+

++=

f

pat

f

pat

SO

SO

R

R

R

R

U

U

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Relación resistencias Rpat/Rf

Donde Rpat es la resistencia de puesta a tierra del neutro, y Rf es la resistencia de falla.

Respecto de la segunda condición, la IEC 60364-4-41 establece la relación a verificar para que la tensión neutro-tierra no supere el máximo admitido, la que puede representarse del modo siguiente:

adf

fpat

pat

oo UURR

RU ≤⋅

+=´

Según experiencias realizadas en otros países, la mínima resistencia de contacto con tierra o partes metálicas extrañas en contacto con tierra que se ha relevado es de 7 Ohm. Para este caso, en sistemas de 3x380/220 V, la relación se verifica con una resistencia total de puesta a tierra de neutro de 2 Ohm.

No obstante el valor de resistencia a tierra o a partes metálicas extrañas en contacto con tierra dependerá de la resistividad del terreno en que se encuentre el centro y la red abastecida.

La resistencia de 7 Ohm representa la resistencia de puesta a tierra de una jabalina de 2 m en un terreno de 15 Ohm.m (resistividad muy baja). Naturalmente, si el terreno es de resistividad mayor, la resistencia mínima de contacto a tierra guardará una proporción directa con ésta, por lo que la resistencia máxima total de neutro también aumentará en la misma proporción. Por lo tanto en zonas con terreno de alta resistividad, puede realizarse una evaluación del valor de resistencia de puesta a tierra de neutro apropiado para cumplir con las condiciones expuestas. Al respecto se puede asumir que la resistencia de contacto con tierra es la de un dispersor vertical de 2 m (criterio que utiliza la Reglamentación de líneas aéreas BT).


Sin perjuicio de lo anterior, a efectos de asegurar la actuación de las protecciones si hubiese una falla desde MT a BT, la toma de tierra de servicio debe tener una resistencia máxima de 10 Ohm.

Nota:en la actual edición de la Reglamentación se indica como valor inmediato al CT. No obstante como la condición de resistencia es en relación a un fenómeno de frecuencia normal, a futuro se indicará como total de neutro.

6.4 TEMA 3: CONDICIONES DE DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA PARA EL CONTROL DE TENSIONES DE CONTACTO

6.4.1 CRITERIOS GENERALES

Este apartado precisa los criterios para el diseño e instalación del sistema de puesta a tierra de los centros de transformación MT/BT y de los centros de suministro MT, de forma que funcione en todas las condiciones. Para ello su diseño y construcción deberá cumplir con los requisitos fundamentales siguientes:

Requisitos de seguridad:

• Garantizar la seguridad de las personas en cualquier lugar accesible normalmente a éstas, evitando la circulación de una corriente inadmisible por el cuerpo humano: control de la tensión de contacto mediante diseño del dispersor y/o recursos constructivos.

Requisitos funcionales:

• Resistir los esfuerzos térmicos y electrodinámicos: elección adecuada de la sección transversal de los conductores.

• Asegurar la resistencia mecánica y contra la corrosión: utilización de materiales conductores correctos según sean conexiones o dispersores, y secciones mínimas

• Evitar el daño de los equipos debido a aumentos de potencial excesivos o a diferencias de potencial elevadas entre distintos sistemas de tierra, y a corrientes excesivas circulantes por partes no concebidas a tal efecto: Conexiones equipotenciales o separaciones adecuadas.

6.4.2 LÍMITES ADMISIBLES DE TENSIÓN PARA EL CUERPO HUMANO

6.4.2.1 Criterio general de verificación

La Reglamentación establece los límites admisibles en base a las curvas límite de corriente circulante por el cuerpo humano de la norma IEC 60479-1.

Si bien los efectos fisiológicos se relacionan con la corriente que circula, es necesario traducir estas curvas a tensiones admisibles, como es práctica general para poder comparar con las tensiones de paso y contacto obtenidas por cálculo o medición. Para esto es necesario considerar la resistencia del cuerpo humano y las impedancias presentes en el camino de retorno de corrientes. Al respecto la Reglamentación define una curva básica de tensión de contacto admisible-tiempo, la que puede corregirse con otras resistencias según las condiciones constructivas.

Se aclara que, si bien la tensión de paso tradicionalmente se incluye como concepto a verificar junto con la de contacto, la peor situación tanto por el valor de la tensión captada (como veremos en este punto), por el valor de la impedancia del cuerpo para el camino de corriente, como por el riesgo de fibrilación que ésta produce, corresponde a la tensión de contacto. Por tal motivo, esta última es la definitoria en el diseño y verificación de la instalación de puesta a tierra.


En la verificación se considerará:

• Curva tensión de contacto versus tiempo admitida sin resistencias adicionales.

• Resistencias entre puntos de contacto del cuerpo humano y caminos de retorno.

• Magnitud de corriente de defecto a tierra (IE) y la correspondiente elevación del potencial.

• Duración de la falla.

A título estrictamente conceptual, y a efectos de disponer un panorama más amplio para resolver situaciones atípicas, a continuación se describen el comportamiento del cuerpo humano frente al paso de la corriente, y los criterios asociados a la curva de tensión de contacto admisible a aplicar para el diseño de la puesta a tierra.

6.4.2.2 Curvas de corriente límite en función del tiempo para distintos efectos probables en el cuerpo humano.

En la gráfica de IEC siguiente se pueden observar zonas en el plano tiempo-corriente en los que se producen efectos de distinto nivel de criticidad. Estas curvas están establecidas para trayectoria de la corriente de mano izquierda a pies, adoptada como la situación más probable de las críticas.

Se observa que la curva C1 corresponde al umbral de fibrilación, y en la región entre la curva C1 y C2 (AC-4-1) se incrementa la probabilidad de fibrilación en un 5%.

Dado que los efectos de la corriente (sobre todo el más severo: la fibrilación ventricular) dependen de la trayectoria que esta adopte, la IEC 60479-1 define factores a aplicar sobre la corriente circulante para luego aplicar las curvas antedichas, tomando como base (factor 1) la trayectoria anterior.


Trayectoria de la corriente Factor

Mano izquierda, un pie o ambos 1

Mano izquierda-mano derecha 0,4

Espalda a mano izquierda 0,7

Pecho a mano izquierda 1,5

Pie derecho a pie izquierdo 0,04

6.4.2.3 Resistencia del cuerpo humano al paso de la corriente.

Conforme las investigaciones realizadas y consolidadas en la IEC 60479-1, la resistencia del cuerpo humano al paso de la corriente presenta las siguientes características:

• Las extremidades son las partes que influyen en forma dominante en su valor. El torso prácticamente no contribuye a su valor. Puede considerarse que la resistencia para una trayectoria está determinada por las resistencias de las extremidades, en serie y/o paralelo según corresponda.

• Las extremidades superiores e inferiores presentan aproximadamente la misma resistencia.

• La resistencia del cuerpo humano depende de la tensión aplicada. Esto es por el efecto “aislante” de la piel, el que se deteriora con la tensión aplicada.

• La resistencia del contacto con la piel depende fuertemente de si ésta está seca, mojada o mojada con una solución salina. Esta última situación obedece por ejemplo a exposición con agua de mar, como también a la transpiración producida por la actividad física.

La tabla siguiente proporciona valores de resistencia estadísticos para una trayectoria mano-mano o mano-pie, para distintas tensiones aplicadas y situaciones de la zona de contacto, con una probabilidad de no ser superados del 5% y del 50%.

Resistencia del cuerpo humano trayectoria mano-mano o mano-pie en Ohm


6.4.2.4 Curva límite de la Reglamentación. Criterios aplicados para su definición

La curva de la tensión de contacto admisible en función del tiempo de la Reglamentación se determinó mediante los criterios siguientes (indicados en la primer edición de la IEC 61936):

• Valores de impedancia del cuerpo humano en función de la tensión con una probabilidad de ser superados del 95%.

• Valores de corriente en función del tiempo con una probabilidad de fibrilación ventricular mucho menor del 5%.

• Consideración de resistencias adicionales: se adoptó una resistencia de calzado de 1000 Ohm (media para calzado usado y mojado indicada en el HD 637).

Nota: la Reglamentación vigente adopta este criterio por resultar más restrictivo (previa evaluación comparación comparativa en Anexo 1) que la curva adoptada en el documento de armonización CENELEC HD 637 basada en: Curva impedancia-tensión 50% de probabilidad de impedancia del cuerpo humano; 5% de probabilidad de fibrilación ventricular, y ninguna resistencia adicional. Respecto a la consideración de estas últimas, en un anexo proporciona una familia de curvas función de la resistencia adicional prevista. La IEC 61936-1 primer edición en su Anexo B también exhibía esta curva, e indicaba que evidencias probabilísticas y estadísticas sugieren que este criterio presenta un bajo nivel de riesgo, y puede considerarse como un requerimiento mínimo aceptable.

Luego de la primer edición de la Reglamentación, la IEC 60479 fue modificada, por lo que recientemente se ha actualizado la curva en el marco del Comité de estudios, manteniendo los criterios anteriores. En la revisión la resistencia del cuerpo humano se determinó con los criterios siguientes:

• Dos pies en paralelo, dentro del calzado con piel mojada y salada, considerando que en el calzado se conservó la humedad de transpiración.

• Mano izquierda haciendo contacto con superficie mojada.


A esta resistencia se le agregó la adicional de calzado usado mojado, con la metodología que se indica en el punto siguiente.

En la tabla se observan los valores de tensión aplicada sobre el cuerpo humano de partida, las corrientes que resultan, el tiempo que el cuerpo las admite según curva C1, y la tensión de contacto presunta admitida que resulta al incluir en serie la resistencia de calzado.

Esta tabla se puede graficar mediante la curva siguiente:


Se deberá evaluar que la tensión de contacto presunta determinada a partir de los cálculos eléctricos y de distribución de potenciales que pueda aparecer durante un tiempo dado sea menor a la que surge de esta curva. No obstante si hubiese certezas de una resistencia agregada relevante, por ejemplo, de contacto pies-terreno de alta resistividad, o solados de alta resistencia, se podrá corregir el valor admisible con el criterio del punto siguiente.

Considerando que el sistema MT es de neutro rígido a tierra, y que toda parte conductora contra la que pueda establecerse una falla estará conectada al sistema de puesta a tierra del centro, se esperan corrientes de falla elevadas y tiempos de actuación cortos (menores a 5 s).

Dado que los valores admisibles de tensión de paso son algo superiores, verificando las tensiones de contacto en general no pueden aparecer tensiones de contacto peligrosas.

Para situaciones anómalas que impliquen tensiones de paso o de contacto durante tiempos largos sin desconexión automática de la instalación, (por ejemplo, caída a tierra de conductor de línea aérea de BT) debe verificarse que su valor no supere los 24 V.

Fundamentalmente en sistemas MT con neutro puesto a tierra por baja impedancia, con limitación de la corriente de falla monofásica a tierra, o en sistemas MT en que ésta última pueda resultar baja, es conveniente disponer al menos en el arranque de las líneas de alimentación de una protección que actúe por corriente residual de tierra, para disponer de una adecuada sensibilidad ante estas fallas, limitando su duración.

6.4.2.5 Consideración de las resistencias adicionales

Se indica a continuación el método para considerar las resistencias adicionales.


Esquema del circuito de contacto

Símbolos:

• UCp Tensión de contacto aplicada sobre el cuerpo humano.

• USCp Diferencia de potencial que actúa como fuente de tensión del circuito de contacto, tal que aplicada sobre éste,y considerando las limitaciones que introducen las resistencias adicionales conocidas (por ejemplo, calzado, superficies accesibles de material aislante o no conductor), la tensión sobre en cuerpo humano resulta Ucp. Si no se tienen en cuenta las resistencias adicionales, es igual a Ucp. En definitiva, es la tensión que se mediría palpando los puntos con que el cuerpo humano hace contacto (por ejemplo, zonas de contacto de pies en el piso y zona de contacto de la mano) con un voltímetro de muy alta impedancia.

• ZB Impedancia total del cuerpo humano.

• IB Corriente que pasa a través del cuerpo humano.

• Ra Resistencia adicional total.

• Ra1 Resistencia del calzado, ya considerada en la curva según criterio 1 (se adoptó una resistencia de 1000 Ohm, que representa un valor medio del calzado usado y mojado, según HD 637 S1)

• Ra2 Resistencia a tierra de la superficie donde está el operador

• ρρρρs Resistividad del terreno cerca de la superficie donde se presume ubicada la persona al verificar la tensión de contacto ( en Ω m).

I B

U SCp ∼∼∼∼

Z B

R a1

R a2

R a

U Cp


• tF Duración del defecto.

Supuestos para los cálculos con resistencias adicionales

Tipo de contacto Mano izquierda-ambos pies

Probabilidad para el valor ZB 5% de no ser superada

Curva IB = f(tF) C1 IEC 60479-1

Impedancia del circuito ZB + Ra

Resistencia adicional Ra = Ra1 + ΣRai

Si se deseara incluir la resistencia del terreno u otra adicional por sobre la del calzado considerada en la curva original adoptada, se seguirán los pasos siguientes:

Para una tensión de la curva base UCps1 dada se determina el tiempo tf admisible.

Para la misma tensión de la curva base se determina (de la tabla dada junto con la curva) la resistencia base (cuerpo humano mas resistencia de calzado base) ZB+Ra1

Luego se determina la tensión UCps2 correspondiente a la resistencia de cuerpo humano, mas la adicional base, mas la adicional agregada. Como se trata de un circuito serie, la corrección sobre la tensión admisible base resultará en proporción de las resistencia.

++⋅=

1

212 1

aB

aCpsCps

RZ

RUU

Resistencia adicional de contacto entre pies y tierra

La resistencia de contacto entre un pie y el terreno, conforme indica la IEEE Std 80, y adopta el HD 637 en la expresión de resistencia adicional para la tensión de contacto, es 3 veces el valor de la resistividad de terreno en Ohm.m.

Según se trate del circuito de captación de la tensión de paso o de contacto, resultará en una resistencia adicional total de 6 o 1,5 veces la resistividad en Ohm.m respectivamente. Las figuras siguientes representan ambas situaciones.

Circuito para la tensión de paso:


Circuito para la tensión de contacto

Por lo tanto para la tensión de contacto la resistencia entre el camino de retorno y el cuerpo humano se puede estimar con la expresión siguiente:

saR ρ⋅= 5,12

Donde ρs es la resistividad del suelo (Ohm.m) en el punto donde está el operador.

Si sobre el terreno se dispusiera de una capa de solado de alta resistividad, el valor de resistencia adicional resulta algo menor. La IEEE Std 80 dá una expresión función del espesor y de las resistividades.


No obstante para espesores y resistividades típicas resulta entre un 80 y un 90% del valor que resultaría si todo el terreno poseyera la misma resistividad.

6.4.3 DISEÑO DE PUESTA A TIERRA Y CONTROL DE LAS TENSIONES DE PASO Y CONTACTO. METODOLOGIA.

En el diseño de la puesta a tierra se consideran distintos recursos pasivos y activos, a saber:

Pasivos:

• Equipotencialización de masas eléctricas.

• Control de potenciales en el terreno.

• Aislación del piso o construcción no conductora.

• Equipamiento de protección personal complementario para maniobras alfombra aislante, pértigas o alfombra conductora equipotencial.

Activos:

• Corte automático de la alimentación coordinado con las tensiones de contacto admisibles

Como se indicara anteriormente, si bien la tensión de paso tradicionalmente se incluye como concepto a verificar junto con la de contacto, la peor situación corresponde a la tensión de contacto. Por tal motivo, si bien se menciona la primera, esta última es la que condiciona el diseño y verificación de la instalación de puesta a tierra.

El proceso de diseño de la puesta a tierra se puede sintetizar mediante el flujograma siguiente:


Aplicación de medidas

recomendadas

Diseño básico de puesta a tierra (resistencia eléctrica recomendable y electrodos básicos)

Cálculos de Ik, IE, UE, evaluación de los tiempos actuación

protecciones

Diseño especial de puesta a tierra. Aplicación de modelos

o mediciones

UE < 4 x Ucadm

UE < Ucadm

UC < Ucadm

F

Si

No

No

Si

Si

No

La secuencia en general es la siguiente:

a) Se efectúa un prediseño del sistema de puesta a tierra del centro que cumpla con los requisitos funcionales indicados en 8.3.1 de la Reglamentación, y los valores de resistencias de puesta a tierra indicados en 8.3.2. Según el tipo constructivo del centro se adoptarán las medidas necesarias para satisfacer este último requisito, previendo electrodos verticales, conductores enterrados en desarrollo horizontal, o combinación de ambos.

b) Se determina la elevación de potencial de tierra UE, previa obtención de la impedancia de tierra ZE, la corriente de falla Ik, y la corriente de tierra IE. Al respecto pueden aplicarse las consideraciones siguientes:

• Si hubiese conductores múltiplemente puestos a tierra conectados a la tierra general, previamente se determinarán los valores de impedancia de puesta a tierra ZE considerando los caminos paralelos de corriente de tierra. Pueden considerarse cables enterrados con pantallas con efecto de electrodo de tierra ( considerar uno por ruta, y no más de cuatro rutas), otros sistemas de tierra conectados a través de las pantallas o armaduras de cables, los conductores PEN múltiplemente puestos a tierra, los conductores neutro de líneas aéreas de MT, los eventuales hilos de guardia conectados, o similares.


• Si hubiese conductores conectados a la puesta a tierra que interconectan esta con el neutro de la fuente de alimentación, se evaluará la reducción de la corriente de falla a tierra, determinando IE = r . Ik1.

c) Luego debe verificarse el cumplimiento de las tensiones de paso y contacto admisibles. Esta verificación se considera directamente cumplida si:

• La instalación forma parte de un sistema de tierra global.

• La elevación del potencial de tierra UE no supera el valor de las tensiones de paso y contacto admisibles.

d) Si no se cumple ninguna de estas condiciones, pero la elevación de potencia de tierra UE no supera un valor de 4 veces la tensión de contacto admisible, se pueden emplear las medidas constructivas especificadas en la Reglamentación, que permiten reducir la tensión de contacto por debajo del valor admisible. En este caso no hay necesidad de efectuar otras verificaciones.

e) Si no se verifica ninguna de estas condiciones, se procederá verificar la tensión de contacto por cálculo o por medición. De no resultar satisfactorio, se procede a modificar el diseño de la puesta a tierra, agregando dispersores horizontales, en forma de aro, rayos o constituyendo una malla de tierra, aplicar en forma combinada las medidas recomendadas del punto siguiente, verificando el cumplimiento del modo antedicho.

6.4.3.1 Evaluación y control de la distribución de potenciales

Para la evaluación de la tensión de contacto por cálculo se pueden emplear distintas herramientas de cálculo:

i) Resolución de la ecuación diferencial de distribución de potencial en el terreno mediante programa de cálculo (métodos numéricos, por ejemplo, de elementos finitos)

[ ] 0)( =⋅−= VgraddivJdiv σρ

Sigma es la conductibilidad del terreno, y V el potencial

ii) Partición del electrodo y su imagen en dispersores elementales de distribución de potencial conocida: Cada elemento inyecta una corriente incógnita, y el potencial en cada elemento dispersor será la suma de los potenciales provocados en su ubicación por los demás elementos y por él mismo. Esto se representa mediante una matriz de ecuaciones de potenciales con coeficientes de resistencia propias y mutuas. Los potenciales de todos los elementos de un conjunto dispersor serán iguales a UE, y las corrientes son las incógnitas.

∑ ⋅=j

jjii IRV ,

Existen programas de cálculo que permiten aplicar este método.

Se muestra a continuación un ejemplo de distribución de potencial de la puesta a tierra de un equipo bajo envolvente metálica, ejecutada mediante un electrodo vertical con un aro complementario para control de la distribución de potencial del suelo en su contorno.

Vista en planta de dispersor y equipo bajo envolvente


En la figura se observa la gráfica de distribución de potenciales obtenida para una UE de 1840 V.

iii) Por expresiones analíticas: generalmente en distintas bibliografías (normas y libros sobre puesta a tierra) se incluyen fórmulas analíticas de distribución de potencial de tierra para dispersores de geometría simple.


Se anexa a continuación un ejemplo sencillo de distribución de potencial correspondiente a una jabalina vertical dispersando corrientes desde la superficie de terreno. La resistencia de puesta a tierra se puede determinar mediante la expresión:

⋅=

r

l

lR

.2ln

..2 π

ρ l: largo de jabalina, r: radio de jabalina.

(nota: hay distintas expresiones similares, con diferencias dentro del argumento que no resultan en una diferencia de valores relevante, incluso dentro de los mismos anexos a la IEEE STD 80. Esta expresión se corresponde con la de distribución de potencial)

La ley de variación de potencial correspondiente es:

++⋅

⋅=

2

1ln..2 x

l

x

l

l

IV E

π

ρ

Donde x es la distancia horizontal de punto de análisis respecto de la jabalina, L es el largo de la jabalina, e IE es la corriente de tierra.

En el cuadro siguiente se observa la distribución para una jabalina de 2 m

La expresión anterior es válida en la proximidad a la jabalina

A medida que la distancia x aumenta, las superficies equipotenciales tienden a ser esféricas, por lo que puede asimilarse ésta a la que produciría un dispersor semiesférico. Por lo tanto, el potencial en puntos alejados resulta inversamente proporcional a la distancia “x”, según la expresión de la figura siguiente:


Si el dispersor fuese semiesférico, para un punto ubicado en su superficie (es decir, x igual al radio de semiesfera) el potencial será UE.

Se define entonces para un determinado dispersor con una resistencia de puesta a tierra R, el radio equivalente se determina mediante la siguente expresión:

eqrR

..2 π

ρ=

En particular, en los centros de transformación MT/MT de instalación exterior a nivel, cuyo nivel de tensión mayor es superior a 20 kV, generalmente se diseñará una malla de tierra enterrada, excepto la instalación tenga dimensiones pequeñas y la malla se reduzca a un aro o rectángulo.

Para el diseño de los sistemas de puesta a tierra y cálculo de tensiones de paso y contacto captadas mediante el uso de expresiones de cálculo validadas, considerando geometrías complejas como las de mallas de SE, la Reglamentación indica la aplicación de la norma ANSI/IEEE Std. 80.

En una instalación de exterior a nivel, se resolviese diseñar una malla de puesta a tierra, y el cerco es metálico y se conectara al mismo sistema de tierra, la malla se deberán ejecutar sobrepasando los límites del cerco perimetral para poder verificar la tensión de paso y contacto admisible fuera del centro.

Los conductores de la malla deben ubicarse preferentemente debajo del equipo a proteger y a una profundidad que oscila entre 0.6m y 0.8m.

6.4.3.2 Verificación de tensiones de paso y contacto por mediciones

Para la verificación se aplica una tensión segura entre tierra y masas, y se mide con un voltímetro de resistencia interna de 1000 Ω.


Los electrodos que representan los pies tendrán que tener una superficie determinada, y un peso que represente la presión de contacto.

• Masa = 25 Kg

• Superficie de contacto aproximada 200 cm2 circular de diámetro 16 cm, o rectangular (10 x 20) cm

Disposición de electrodos representativos de los pies:

• Para tensión de paso: 1 m entre ejes (en dirección al gradiente)

• Para tensión de contacto: aproximadamente a 20 cm entre ejes

6.4.3.3 Medidas recomendadas para controlar tensiones de paso y contacto

Como es conocido, la tensión de contacto es una parte de la elevación de potencial de tierra que puede captar el cuerpo humano al hacer contacto con una masa estando con los pies en el suelo, o al hacer contacto simultáneo entre dos masas. Las medidas descriptas tienen por objeto reducir la proporción de la UE que puede captar el cuerpo humano, sea por reducción de la diferencia de potencial entre masas y suelo alterando la distribución de potencial, como interponiendo elementos constructivos no conductores o aislantes.

Estas medidas recomendadas se consideran suficientes siempre que la elevación del potencial de tierra no sea superior a 4 veces la tensión de contacto admisible. Si la elevación del potencial de tierra fuese superior, igualmente se podrán aplicar estos conceptos (con los ajustes necesarios), debiendo verificarse el cumplimiento de las tensiones de paso y contacto admisibles mediante cálculos o medidas.

6.4.3.3.1 Medidas para muros exteriores de edificios, recintos metálicos, estructuras y cercados.

a) Uso de material no conductor para los muros exteriores, y ausencia de partes metálicas puestas a tierra accesibles desde el exterior.

• La resistencia eléctrica de la superficie externa de los muros, y de las partes metálicas accesibles desde el exterior (rejas, puertas, marcos) respecto de la puesta a tierra de protección del centro no debe ser inferior a los 10000 Ohm. Para la verificación puede aplicarse la norma IRAM.

• Ejecución de cercados metálicos con cubierta plástica de aislación de rigidez dieléctrica suficiente (por ejemplo, tensión resistida de 7 kV durante 60 s), que sea resistente a la intemperie.

b) Difusión del gradiente de potencial mediante electrodo horizontal conectado al sistema de puesta a tierra

• Se dispone de un conductor horizontal enterrado a una profundidad de 0,5 m, y ubicado a una distancia aproximada de 1 m por fuera del muro, recinto o cerco, rodeándolo por todo el perímetro accesible. Este electrodo debe quedar conectado con las partes metálicas expuestas del recinto o cerco.

• Siempre que las partes metálicas accesibles del exterior sean a su vez simultáneamente accesibles a las masas del interior del recinto o área cercada, se conectará a su vez a la puesta a tierra de protección. Caso contrario, en cercos exteriores, su conexión a la puesta a tierra de la instalación es opcional.


c) Aislación de la zona de circulación

• Consiste en colocar material aislante en el piso de circulación, asegurando que las partes conductoras puestas a tierra queden solamente al alcance de la mano si la persona está pisando la capa aislante. Por ejemplo, asumiendo el alcance de la mano en sentido horizontal natural desde el punto en que la persona está parada es de 1 m, basta con disponer de una capa de material aislante en una franja de 1 m en torno al cerco o superficie conductora vertical.

• Para aislación de solado, se considera suficiente una capa de grava de 100 mm, o un solado de mezcla con base asfáltica adecuada, o una alfombra aislante con ancho mínimo de 1000 mm y 2,5 mm de espesor, con una rigidez dieléctrica de al menos 3 kV/mm.

Los recursos pueden emplearse de forma combinada en distintas partes del cercado o muro. Cuando se utiliza el recurso a) en la construcción del cercado o muro pero las puertas de cercados exterior resultan conectadas al sistema de puesta a tierra del centro, se adoptará la medida b) o c) en el área de paso.

6.4.3.3.2 Instalaciones de interior

Dentro de instalaciones de interior se debe controlar la tensión de contacto pueden aplicarse las medidas siguientes.

a) Difusión de gradiente de potencial

Se puede efectuar mediante electrodo tipo rejilla empotrado en los cimientos del edificio, conectado al sistema de puesta a tierra.

Esta medida es natural cuando se efectúa un centro en un local de construcción independiente, pudiendo utilizar a tal efecto la misma armadura del piso (si hubiera que armarlo por la resistencia necesaria), cuidando observar continuidad de la armadura, y soldando además un conductor para luego conectarlo a la barra equipotencial.

b) Colocación de placa o reja de equipotencialización en la zona de operación conectadas al sistema de puesta a tierra

Consiste en disponer de placas o mallas en las zonas de operación, esto es, en los pasillos donde el operador se ubicará en las distintas actividades de explotación. De esta forma si ocurriera una falla a tierra y estuviera el operador tocando una masa, esta estará al mismo potencial que la zona de apoyo de los pies, anulando la tensión de contacto.

c) Aislación de zonas de operación

Se procede como se indica en c) para cercado exterior. Para la conexión equipotencial, las partes metálicas que han de ser puestas a tierra y que pueden ser simultáneamente accesibles desde la zona de circulación, han de estar interconectadas. Este recurso es aplicable cuando se desea evitar conexión galvánica directa entre la construcción que contiene el local para el centro y las masas del centro.

6.4.3.3.3 Instalaciones de exterior.

a) Se dispondrá al menos de un electrodo en anillo rodeando el sistema de puesta a tierra, con una rejilla interna cuyas aberturas no sean de más de 10 m.


b) Para las partes individuales conectadas al sistema de puesta a tierra que estén ubicadas fuera del anillo, se colocará un electrodo de tierra de equipotencialidad, rodeándola a una distancia de aproximadamente 1 m, enterrado a no más de 0,2 m. Este dispersor reduce la tensión de contacto.

6.5 TEMA 4: DIMENSIONAMIENTO DE CONDUCTORES, EJECUCIÓN DE LAS PUESTAS A TIERRA Y CONEXIONADOS.

6.5.1 Dimensionado en relación con la corrosión y resistencia mecánica

En general la Reglamentación establece dos requisitos conceptuales básicos para los conductores de los sistemas de tierra:

• Capacidad de resistir (o deberán protegerse debidamente contra) daños mecánicos y químicos, empleando secciones y materiales adecuados.

• Tomar las medidas pertinentes como elementos bimetálicos o inhibidores de corrosión para la unión de metales diferentes.

6.5.1.1 Electrodos de tierra

Los electrodos que se encuentran en contacto con el suelo deben ser de materiales capaces de resistir la corrosión, y resistir las influencias mecánicas durante su montaje así como durante su funcionamiento.

A tal efecto la Reglamentación establece la aplicación solamente de dispersores que tengan un comportamiento catódico, a efectos de evitar su corrosión, citando algunos tipos sobre los que proporciona medidas mínimas que garanticen su integridad física.

• Barra redonda de Cu de 50 mm2. (35 mm2 para electrodo horizontal)

• Cable (de varios alambres) de Cu de 35 mm2.

• Barra redonda de acero-cobre, de 12,6 mm mínimo, según norma IRAM 2309.

El cobre, además de ser catódico, presenta una alta capacidad calorífica.

Al tener el electrodo comportamiento catódico, es de prever que pueda afectar a otros elementos enterrados de características anódicas. A tal efecto, si fuese necesario pueden considerarse las siguientes medidas:

• Estañado del Cu (riesgo de corrosión localizada en puntos con

• cobre expuesto)

• Disposición de electrodos a 90º con traza de elementos de

• hierro enterrados

• Aislación de partes de Fe afectadas

• Protección catódica


6.5.1.2 Secciones mínimas del conductor de puesta a tierra

Las seciones mínimas establecidas en la Reglamentación por resistencia mecánica y estabilidad contra la corrosión para los conductores de tierra son:

• Cu: 25 mm2

• Acero-cobre: 35 mm2

• Al: 35 mm2

• Hierro galvanizado: 50 mm2

Esta última opción no está incluida en la Reglamentación, no obstante ha sido considerado en normas extranjeras como el HD 637, y se prevé su incorporación, considerando la exposición de los conductores en instalaciones que no cuentan con vigilancia.

Sin perjuicio de las secciones mínimas, en redes de cables subterráneos se debe verificar que:

• El conductor que vincula la pantalla de Cu de cables MT con la puesta a tierra tenga una sección de Cu al menos igual a la de la pantalla.

• El conductor que vincule la armadura de los cables MT o BT con la puesta a tierra debe tener como mínimo una sección equivalente a la de ésta.

La sección deberá ser verificada con el esfuerzo térmico debido a la máxima corriente de falla esperada.

Para toda conexión equipotencial la sección de los conductores es recomendable sea la misma que la del de tierra. No obstante si se aplicara una sección diferente, se deberá evaluar si soporta el esfuerzo térmico conforme la corriente de cortocircuito y el tiempo de actuación de la protección. Puede haber situaciones (por ejemplo, conexiónes de masas del lado secundario si el neutro se conecta a una tierra común) en que deba aplicarse una sección mayor.

6.5.2 DIMENSIONAMIENTO EN RELACIÓN AL ESFUERZO TÉRMICO

Los conductores se verificarán térmicamente considerando la máxima corriente de cortocircuito que pueda circular por éstos, y el tiempo de actuación de protecciones. Al respecto en sistemas de distribución es práctica habitual no efectuar los cálculos para cada punto en particular, sino diseñar la instalación para un valor normalizado de cortocircuito representativo de la peor situación.

• La temperatura final debe elegirse de manera de evitar que:

• La reducción de la resistencia del material conductor.

• Daño de materiales aislantes propios o en contacto.

• Afectación a las conexiones de los conductores de tierra.


Para la verificación de los esfuerzos térmicos la Reglamentación aplica una expresión empleada en la IEEE Std 80, análoga a otras empleadas en la VDE 141, también adoptada por la IRAM.

A continuación se indica la fórmula, reescrita para poner en evidencia la dependencia respecto del tiempo de actuación de la protección:

c

kadmt

kSKSI

2

⋅=⋅=

Donde

• If: Corriente de cortocircuito eficaz máxima [kA] (o eficaz equivalente térmica).

• S: Sección del conductor [mm2]

• k2 es una constante propia de las características del material conductor, de las temperaturas admisibles, y de la temperatura inicial.

La constante k2 resulta de:

+

+⋅⋅

⋅= −

TaTr

TTrCk

Crt

t maxln10 42

ρα

Donde :

• Tmax : Temperatura máxima admitida por el conductor [°C]

• Ta : Temperatura ambiente [40 °C]

• tc : Tiempo de flujo de corriente [s]

• Ct : Coeficiente de calor específico [Joule /cm3/K]

• αrt : Coeficiente de aumento de resistividad por temperatura, a 20 °C [1/K]

• ρc : Resistividad [µΩ.cm]

• Tr = (1/αrt) - 20 °C [K]

Tabla 8.3 a – Constantes de los materiales

Constantes del material Cobre Acero / cobre

Ct : Coeficiente de calor específico [Joule /cm3/K] 3,422 3,846


αrt : Coeficiente de aumento de resistividad por temperatura, a 20

°C [1/K] 0,00393 0,00378

ρc : Resistividad [µΩ/cm] 1,7241 5,862

Tr = (1/αrt) - 20 °C [°C] 234,45 244,55

Las temperaturas máximas para evitar la reducción de la resistencia mecánica, afectación de conexiones y daños de los materiales cercanos o aislantes son:

• Conductores de Cu 250 ºC (para mantener resistencia mecánica)

• Conductores de Ac-Cu o Ac Galvanizado 300 ºC

• En cables aislados 250 ºC para XLPE y 160 ºC para PVC (140°C para S >300 mm2 )

• En uniones, debe verificarse de no sobrepasar los valores siguientes:

o Conexión a compresión: 250 ºC

o Soldadura exotérmica: 450 ºC

o Soldadura con aporte de material (eléctrica): 250 °C

La temperatura nicial se adoptará de 40°C.

A partir de la expresión anterior se puede deducir la sección necesaria plicando la misma En forma simplificada se podrá emplear la siguiente expresión (válida también cuando la protección limita la corriente de cortocircuito):

( )k

tIfS

c⋅=

2

Siendo k el coeficiente que considera el material conductor y las temperaturas, resultando:

• kCu = 0,175 kA/mm2 seg0,5, para Tfinal = 250 °C

• kAc.-Cu = 0,109 kA/mm2 seg0,5, para Tfinal = 300 °C

6.5.3 EJECUCIÓN Y MONTAJE DE LOS ELECTRODOS, Y CONEXIONADO

6.5.3.1 Ejecución y montaje de los electrodos

Se indican a continuación varios recursos para obtener el valor deseado de resistencia de puesta a tierra


• Empleo de electrodos verticales, se puede aumentar el largo o tamaño de éste hasta encontrar la napa permanente de agua,

• Colocación de electrodos hincados en paralelo. Para que el paralelo sea efectivo, la distancia entre ellos debe ser igual al doble de su profundidad, hasta lograr el valor requerido.

• Se recomienda no usar electrodos de menos de 2 m, puesto que la resistividad del terreno a menor profundidad presenta una fuerte oscilación asociada a la pluvialidad.

• Para zonas con elevados valores de resistividad del terreno (rocoso), puede ser necesario un electrodo en forma de malla, complementada con jabalinas si fuese necesario.

• Para lograr el valor de resistencia de puesta a tierra se podrá agregar tierra vegetal, bentonita y/o gel mejorador de resistencia de tierra en el terreno circundante a electrodo de tierra.

• Otros medios especiales artificiales de mejora de tierra (sales, carbones, etc.) deben aplicarse excepcionalmente y siempre que no contaminen el terreno ni ataquen químicamente a los componentes metálicos de las tomas a tierra. Se deben prever los medios para poder realizar un mantenimiento adecuado, y efectuar las mediciones periódicas de resistencia de puesta a tierra a mayor frecuencia que si no se recurriera a estos medios (no mayor a 2 años).

6.5.3.2 Modo de conexionado

• Conexiones por métodos de compresión, sea irreversible (mediante deformación plástica de un elemento de unión único) o mediante elementos de unión no desarmables ni ajustables, o exotérmicos.

• Los conductores de conexión a tierra, con sus conexiones y uniones en partes no enterradas, deberán ser identificables fácilmente y accesibles para facilitar su control.

• En el área de servicio los conductores de tierra pueden ser desnudos.

• Fuera de áreas de servicio los conductores de tierra deben contar con una protección mecánica mínimo IK10 no ferromagnética.

• Si se aplica criterio de emplazamiento no conductor disponer cubierta aislante sobre conductor de tierra de protección.

• Conexión de borne de neutro a tierra de servicio (si fuese separada) con conductores aislados para 1,1 kV.

• Conexión de equipos a tierra desde barra equipotencial: siempre en derivación radial.

6.5.4 CONEXIÓN DE LAS MASAS DEL CENTRO A LA TIERRA DE PROTECCIÓN

Todas las masa metálicas de la instalación, que puedan ser accesibles en forma sinultánea por una persona, deben estar conectadas al mismo sistema de tierra (equipotencialidad).

Se conectarán al sistema de puesta a tierra de protección del centro:

• Las masas de todos los aparatos de media tensión y baja tensión.


• Los flejes metálicos de los cables armados subterráneos.

• Cercos perimetrales metálicos.

• Rejas de protección internas.

• La pantalla de protección de cables subterráneos.

• Las pantallas de terminales apantallados.

• La cuba de los transformadores y partes metálicas asociadas.

• Los descargadores de sobretensión.

• Los polos de tierra de los seccionadores.

• Los circuitos secundarios de los transformadores de medida.

• Todo elemento metálico que conforme la carcasa, chasis o panel de un componente o equipo que pueda quedar accidentalmente bajo tensión.

Las puertas y rejas de ventilación metálicas que dan al exterior de recintos cerrados, ejecutados con construcción no conductora no se conectarán a tierra, siempre que pueda evitarse continuidad con partes puestas a tierra de la instalación. Caso contrario, se conectarán a la toma de tierra de protección, y se implementarán las medidas para que las tensiones de contacto desde el exterior del recinto sean de magnitud y duración admisibles, según los criterios antes expuestos.

6.6 TEMA 5: CONDICIONES DE INTERCONEXIÓN O SEPARACIÓN DE PUESTA A TIERRA DE SERVICIO Y DE PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR

6.6.1 CENTROS DE TRANSFORMACIÓN MT/BT

6.6.1.1 Análisis conceptual de las condiciones para la unificación o separación de tierras

Para la puesta a tierra del neutro BT del transformador MT/BT la reglamentación considera dos posibilidades, estableciendo en cada caso las condiciones a verificar:

• Unificada con la puesta a tierra de protección de las masas, o

• Separada de la puesta a tierra de protección.

Al respecto la Reglamentación indica:

• Si el sistema BT abastecido está totalmente confinado en el sistema de puesta a tierra de MT, los sistemas de puesta a tierra deben interconectarse constituyendo un sistema de tierra común.

• En sistemas BT no confinados en el sistema de tierra de MT, se recomienda la interconexión o unificación de ambos sistemas de puesta a tierra, siempre que sea posible.


Los aspectos a verificar en éste último caso según la modalidad adoptada, ante una falla en el lado MT a masa que eleve el potencial de tierra, son:

• Cumplimiento de las tensiones de contacto en las instalaciones de BT, o de la sobretensión soportada por los aparatos conectados a la red BT asociada al centro.

• Cumplimiento de la sobretensión soportada por los equipos de BT del propio centro.

• Nota: un efecto que no es exigido en la Reglamentación,

A continuación se analiza en cada caso lo que ocurre en la instalación de BT ante una falla de MT.

a) Puesta a tierra de neutro BT y masas del centro interconectadas

a-1 Instalaciones de BT agua abajo TN

Se observa que, si se produce una falla en MT a tierra la elevación de potencial de tierra UE se transfiere fuera de la instalación a través del neutro de BT. Como la instalación abastecida es TN, las masas adquirirán respecto de tierra alejada este potencial.

Si el centro alimenta una instalación con la que existe conexión equipotencial, dentro de la zona de conexión equipotencial no se observarán tensiones de contacto. Por tal motivo, si la instalación BT queda plenamente dentro de la instalación de tierra de MT, no debe efectuarse separación.

Para las instalaciones fuera de la instalación de tierra del centro, la tensión de contacto será una fracción de la UE que dependerá si el conductor neutro está puesto a tierra en varios puntos del recorrido de neutro (práctica solicitada por todas las Reglamentaciones de líneas exteriores) o nó. En caso afirmativo, se produce una reducción de la tensión de contacto según se indica en la figura.


a-2 Instalaciones de BT agua abajo TT

En este caso, la elevación de potencial UE resulta en una sobreexigencia dieléctrica sobre los aparatos conectados a la red de distribución, cuyas masas están conectadas a una puesta a tierra propia, entre sus partes activas y masa (tensión UA). Si hubiera puesta a tierra múltiple de neutro (en ciertos países si el esquema es TT para todo el sistema BT no se exige) se espera la misma reducción de exigencia respecto de UE que vimos anteriormente.

b) Puesta a tierra de neutro BT y masas del centro separadas

En este caso, al producirse una falla, el potencial UE resulta aplicado entre la instalación de BT del centro y las masas del propio centro, plenamente si la separación es suficientemente grande.

En este último caso, el potencial transferido por el neutro hacia las instalaciones exteriores es nulo.

Asimismo se observa que en la propia instalación se capta el potencial sin reducción.

Esta sobretensión obliga a observar una aislación reforzada en las instalaciones del centro, para evitar la falla entre BT y Masa. También es necesario esto por otro problema: dado que no pueden conectarse las masas de la instalación al neutro de BT, una falla de BT a masa no provocará la actuación de las protecciones de MT, permaneciendo el defecto.


Si la instalación de MT es aérea, expuesta a sobretensiones atmosféricas, toda la elevación de potencial de la tierra durante la descarga también quedará aplicada sin atenuantes sobre la BT, y si produjera una falla BT-masa ésta no será relevada por la baja corriente reflejada al primario. Para toda falla BT a masa del centro, la corriente circulará por la puesta a tierra de las masas del centro y por la puesta a tierra del neutro, resultando fuertemente limitada.

6.6.1.2 Condiciones a verificar para la unificación de tierra de masas y de neutro BT.

A tal efecto, siguiendo el criterio de la IEC 60364, la Reglamentación resumidamente indica que es posible unificar las tierras si se cumple alguna condición de un grupo de condiciones básicas. Si ninguna de ellas fuera cumplida exige verificar las condiciones indicadas en la tabla según las instalaciones BT tengan esquema de conexión a tierra TN o TT.

• El sistema de puesta a tierra de MT constituye un sistema de puesta a tierra global (ver la definición).

• La resistencia de puesta a tierra del propio centro, obtenible y perdurable, sea menor o igual a 1 (un) Ohm.

• El sistema de puesta a tierra está conectado al conductor neutro de línea aérea de alimentación MT múltiplemente puesto a tierra al menos cada 400 m, o al conductor de pantalla del cable de alimentación MT puesto a tierra en cada centro abastecido. y conectado en ambos casos a la puesta a tierra de la subestación transformadora de origen de la red de MT, obteniendo una impedancia máxima de retorno de 1 Ohm (*).

• El sistema de puesta a tierra está conectado a cables MT y/o BT con cubiertas metálicas o pantallas que actúan como dispersores de tierra, con una longitud total mínima de 1 km, obteniendo una impedancia de puesta a tierra total de 1 Ohm (*).

Y en todos los casos que el centro alimente una red de distribución de BT general (con cargas distribuidas en su recorrido), el neutro BT esté múltiplemente puesto a tierra en su recorrido.

(*) Nota: condición complementaria prevista incorporar para asegurar equivalencia con la primer condición)

Si no se cumplen estas condiciones, se deberán verificar los requerimientos mínimos establecidos en la tabla siguiente:


Tabla 8.3 b - Requisitos para sistema de puesta a tierra común

Tipo de sistema de BT Requerimientos

tf ≤ 5 s , Ua ≤ 1200 V TT

tf > 5 s , Ua ≤ 250 V

TN Ue ≤ X . Uc

Siendo:

• Ua = tensión aplicada sobre los aparatos respecto de tierra ante elevación de potencial de neutro BT por falla en MT.

• Ue = elevación del potencial de tierra en el CT.

• Uc = tensión de contacto admisible para el tiempo de la falla en MT.

• X = factor por conexiones adicionales del PEN a tierra. Si el PEN está conectado a tierra sólo en el CT X = 1. Para PEN con puesta a tierra múltiple, el valor típico es 2, y en ciertos casos hasta 5.

Nota: Generalmente en sistemas TN de edificios con conexión equipotencial principal, no aparecen tensiones de contacto.

Es evidente que para unificar las puestas a tierra de masas del centro y de neutro BT en una zona que no es posible lograr valores tan bajos como 1 Ohm (en cumplimiento de los requisitos anteriores), es necesario que la corriente de falla a tierra no sea elevada. Excepto la puesta a tierra sea mediante un neutro artificial que la limite naturalmente, sería entonces necesario limitar la corriente de falla a tierra del sistema de MT, esto es, cambiar el sistema de puesta a tierra directa por puesta a tierra por baja impedancia. Esta decisión presenta inconvenientes relativos a las sobretensiones de fases sanas durante fallas a tierra, que sobreexigen las aislaciones y los descargadores.

6.6.1.1 Condiciones a cumplir si es necesaria la separación de tierra de masas y de neutro BT.

En caso de no poder cumplir las condiciones para la unificación, la puesta a tierra del neutro de BT deberá realizarse fuera del área del centro de transformación y de la influencia de su tierra de protección, con una separación tal que asegure que se cumplan las condiciones indicadas en la tabla anterior. Esto significa que, si se produjera una falla a tierra en MT, el potencial captado por la puesta a tierra de BT no debe ser superior al límite que surja de la aplicación de la tabla.

La reglamentación (conforme al criterio del HD 637) considera suficiente una distancia de separación “d” de 20 m. En caso que no pueda cumplirse esta separación, se deberán efectuar comprobaciones por cálculo o medición, no obstante se debe procurar maximizarla, si bien en principio por cálculo la separación puede resultar baja.

A título orientativo, una jabalina de puesta a tierra de 3 m presenta un radio de semiesfera equivalente de aproximadamente L/2.PI = 0,5 m. Por lo tanto, a 10 veces este radio (5 m) el potencial de tierra resulta de la décima parte, resultando generalmente suficiente. No obstante, la geometría del otro dispersor también altera el potencial del entorno. Por otro lado, en la vía pública existen otros elementos metálicos enterrados, como también posibles roturas de desagues, etc,.que pueden alterar las resistencias.


BT

Tierra

común

MT

d

Tierra deservicio

Neutro BTBT

Tierra de

protección

MTExplosor

(recomendado)

Sistema de tierra común Sistemas de tierra de protección y servicio separadas

Adicionalmente, en forma resumida, la Reglamentación indica las condiciones siguientes:

• El conductor de vinculación del neutro del transformador hasta la toma de tierra de servicio debe estar aislad con aislación doble o reforzada, como también todo el equipamiento de BT del centro. Para el caso de redes BT de 380 V pueden emplearse al efecto cables según IRAM 2178 para 1,1 kV.

• La bajada del neutro a la puesta a tierra, deberá construirse con un conductor de sección equivalente al neutro de la línea.

• La bajada del conductor de tierra de servicio sobre soporte de línea aérea deberá protegerse mecánicamente hasta una altura de 2,5 m para evitar acciones de vandalismo.

• Debe considerarse en general para el equipamiento BT un nivel de aislación mayor al correspondiente a su tensión nominal, no sólo para reducir riesgo de fallas en BT, sino porque como se observó, ante falla en MT las instalaciones de BT del centro estarán sometidas a un potencial elevado respecto de masas

• A efectos de reducir el riesgo de falla BT/masa en el centro debido a la elevación de potencial ante corrientes de descargas atmosféricas drenadas por la tierra de protección, se recomienda disponer un explosor conectado entre neutro y el sistema de puesta a tierra de protección del centro. Debe verificarse que no actúe ante sobretensiones de frecuencia industrial, que pueden dañarlo.

6.6.1.2 Consideraciones respecto de la falla desde sistema MT contra el sistema BT:

La Reglamentación considera como falla probable la de MT contra masa, y nó de MT contra BT, puesto que los transformadores poseen una separación dieléctrica reforzada entre arrollamientos de MT y BT, y en el resto de la instalación se exigen distancias eléctricas mayores entre ambos sistemas que entre MT y masa.

Por tal motivo sólo establece condiciones sobre la elevación de potencial de tierra ante fallas en MT a masa, para definir si es posible unificar el sistema de tierras, las que en caso de no cumplirse obligan a separarlos convenientemente.

Si se considerara equiprobable la falla de MT contra BT, habría que aplicar las mismas condiciones anteriores para este escenario, lo que implica cumplir las mismas condiciones que se exigirían para la unificación de puesta a tierra de masas y del neutro, resultando en definitiva indiferente unificar o nó la puesta a tierra.

De todos modos, la Reglamentación establece valores máximos de puesta a tierra de neutro BT que aseguren la detectabilidad de la falla por parte de las protecciones. Con una resistencia de 10 Ohm, en un


sistema de 13,2 kV, la corriente de falla será próxima a los 800 A, valor suficientemente elevado para provocar la actuación de la protección del transformador.

6.6.2 CENTROS DE TRANSFORMACIÓN MT/MT

La puesta a tierra del centro de estrella de un transformador MT/MT solo debe construirse en forma unificada con la puesta a tierra de protección correspondiente. Es natural que en este caso las sobretensiones transferidas no presenten inconvenientes, dado los elevados valores de tensión soportada a frecuencia industrial establecidos.

Por ejemplo, considerando un centro de rebaje de 33 kV a 6,6 kV, si hubiese una falla a tierra del lado de 33 kV, y la resistencia de puesta a tierra del centro fuese muy elevada, la máxima elevación de potencial de tierra será (si el sistema de 33 kV es puesto a tierra al menos por baja impedancia) de 19 kV, durante el tiempo que dure la falla. El equipamiento de 6,6 kV está probado a 20 kV durante 60 s. Mayor margen aún habría si se tratara de un centro 33/13,2 kV, de ejecución mas habitual.

6.6.3 SEPARACIÓN ENTRE TOMAS DE TIERRA DEL CENTRO Y DE OTRAS INSTALACIONES

Cuando el centro y las instalaciones no están incluidos en un sistema de tierra global, y éstas últimas tengan un esquema de conexión a tierra TT, se debe asegurar que:

• Las corrientes circulantes que aparezcan ante cualquier situación en los sistemas de tierra del centro no provoquen tensiones de contacto inadmisibles en las instalaciones.

• Las corrientes de cortocircuito fase/tierra en las instalaciones alimentadas no superen el poder de corte admitido por el equipamiento previsto debido a una impedancia de lazo de falla excesivamente baja.

Se considera satisfecha esta condición si la separación es de 10 veces el radio equivalente de los electrodos empleados (ver REIEI AEA, Parte 771).

Si el centro de transformación está incluido dentro de una edificación (asumiendo que la estructura metálica tiene continuidad con el sistema de puesta a tierra de protección de la instalación), se adoptarán medidas en el local para separar eléctricamente el sistema de tierra del centro, por ejemplo:

• No amurar partes metálicas puestas a tierra sobre hormigón armado, a menos que sea por medios aislantes.

• El espesor de material de construcción no conductor que separe dichas partes y la las armaduras de la estructura sea suficiente (por ejemplo, 100 mm de hormigón en masa, o capa asfáltica)


6.7 TEMA 6: REQUISITOS PARTICULARES PARA CENTROS DE REDES RURALES DE MT CON RETORNO POR TIERRA

Se destacan dos tipos de centros:

• Centros de aislación de sistemas (y eventualmente rebaje): aplicado en algunos sistemas para separar galvánicamente el sistema MT de retorno por tierra de la estación transformadora AT/MT, evitando que las corrientes de retorno por tierra lleguen a esta última. De no aplicarse, es necesario restringir la carga total a alimentar con líneas de retorno por tierra.

• Centros de transformación derivados: son los centros que alimentan las cargas de BT

En adición a los requerimientos generales para las puestas a tierra de los centros indicadas en los puntos anteriores, para centros MT/MT y MT/BT respectivamente, se aplicarán los requisitos siguientes.

6.7.1 PUESTA A TIERRA DE PROTECCIÓN Y SERVICIO DE MT DE LOS CENTROS DE TRANSFORMACIÓN AÉREOS DERIVADOS

Las condiciones establecidas en la Reglamentación resumidamente son:

• La puesta a tierra de masas y borne de neutro de MT debe tener una resistencia no mayor a 5 Ohm.

• Adicionalmente a la verificación de tensión de contacto en caso de falla, se debe verificar que la tensión de contacto en condiciones de funcionamiento normal no supere la admisible. Al respecto se verificará que para la corriente de actuación de las protecciones MT del transformador (o BT si fuese salida única) la tensión de contacto no supere los 24 V.

• El conductor de tierra será de cobre, y de una sección mínima de 35 mm2., protección mecánica IK10 hasta 3 m. Se debe agregar una advertencia de peligro para disuadir la manipulación por parte de terceros, a 2,5 m.

• La puesta a tierra de MT debe estar concebida de forma de asegurar la permanencia de su valor en el tiempo. Se podrá ejecutar mediante un electrodo vertical dispuesto en profundidad (primer napa de agua permanente), o 2 o 3 electrodos verticales hincados a una profundidad de 0,8 m. interconectados en anillo. La interconexión del anillo se recomienda por encima de la protección mecánica para su visualización.


• El conductor de tierra debe conectarse sin interrupciones desde el (o uno de los) electrodo de puesta a tierra hasta el neutro MT del transformador.

• La tierra de servicio de BT será independiente de la de servicio y protección MT. Al respecto son aplicables todas las condiciones expuestas antes para tierras separadas, poniendo particular cuidado en la separación. Si la separación no fuese efectiva, la tierra de BT quedaría vinculada al sistema de MT, y ante falla del bobinado MT puede aparecer directamente la tensión de MT aplicada al lado BT.

6.7.2 PUESTAS A TIERRA DEL CENTRO DE TRANSFORMACIÓN DE AISLAMIENTO DEL SISTEMA

• La puesta a tierra se diseñará y ejecutará como la de un centro MT/MT, por lo que se dispondrá de un sistema de tierra único para las masas y el neutro del secundario.

• Si la construcción del centro es de tipo aéreo, se deberá colocar sobre la línea de tierra una protección mecánica de las características antes indicadas, incluyendo las señales de advertencia expuestas.

• La resistencia máxima de puesta a tierra de servicio máxima será de 2 Ohm, considerando que se cumple la carga máxima admitida para el sistema de retorno por tierra asociado.

Considerando la carga máxima para un sistema de retorno por tierra establecida en la Reglamentación sobre líneas aéreas exteriores de AT y MT es de 10 A, esto implica una elevación de potencial de tierra de 20 V, asegurando con un margen adecuado la tensión de contacto permanente de 24 V.

aeact-módulo 6 - puesta a tierra - 2012.pdf

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