introduccion y seguridad de personas y equipos

8/18/2019 Introduccion y Seguridad de Personas y Equipos

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Proyecto y Análisis de Sistemas

de Puesta a Tierra

Profesor: Dr. Ing. Angel Valcárcel Rojas


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El curso está dirigido a:

Ingenieros y otros profesionales que deben

resolver problemas relativos a la seguridad de

las personas y equipos en instalaciones de altatensión, como consecuencia de la circulación a

través del terreno de corrientes de gran

magnitud, presentes en condiciones de falla de

los sistemas eléctricos, o motivadas por otrotipo de perturbaciones, ya sean de origen

interno o externo a éste.


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Caractersticas generales del curso

! El curso está previsto para un total de "#

$oras, entre conferencias y clases prácticas.

! %a evaluación puede ser por exámenes

parciales o un examen final integral.

! Como texto está previsto un material preparado

por el profesor.


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&emas del curso'. Introducción

(. )eguridad de las personas y equipos eninstalaciones de alta tensión

*. +actores principales para el proyecto de una puestaa tierra

". Cálculo de la resistencia de puesta a tierra en unterreno $omogéneo

. Cálculo de la resistencia de puesta a tierra en unterreno no $omogéneo

-. )olicitaciones de voltae y dise/o seguro de puestasa tierra

0. Conceptos básicos sobre corrosión y su protección

1. 2edición de resistividad de suelos

3. 2edición de puestas a tierra


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El estudio del efecto de las corrientes que circulan

por el terreno y de las técnicas empleadas para

reducir sus riesgos, constituye el tema principal de

la teora, proyecto y dise/o de las puestas a tierra.

En los sistemas de puesta a tierra cada situación es

particular y como tal debe abordarse, por lo tanto, es

recomendable que quienes deben proyectar

sistemas de puesta a tierra, cono4can los

fundamentos que les permiten anali4ar las

diferentes situaciones que pueden presentarse. En

este sentido los obetivos de este curso son:


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'. Exponer una metodologa general para elproyecto de una puesta a tierra,

considerando aspectos tanto técnicoscomo de seguridad, abarcando lassiguientes fases:

5 6efinición de obetivos y requerimientos.

5 7nálisis general del problema.

5 8btención de la información requerida.

5 9royecto de la puesta a tierra.

5 Comprobación de la puesta a tierra.


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(. 9roporcionar los conocimientos básicos

para el análisis de situaciones particulares

que pueden presentarse en el proyecto de

una puesta a tierra.


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Introducción

! 8betivos de una puesta a tierra

! Clasificación de las puestas a tierra

! equisitos de una puesta a tierra

! 6efiniciones generales.


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8betivos de una puesta a tierra

! Contribuir a reducir los valores de sobrevoltaeque pueden aparecer en condiciones anormales

de operación en los sistemas eléctricos.

! 9roporcionar una va de baa impedancia paralograr la operación correcta de los elementos de

protección del sistema.

!

Conducir en forma eficiente $acia tierra las desca

rgas atmosféricas, limitando las diferencias de po

tencial que pudieran presentarse en la instalación

.


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Corriente residual de falla al ocurrir el contacto de una fase a tierra

en un sistema aislado

a

b

c

;

;

;

Ic

IbIa

C C

IF = Ia

C

RFR

T.R

Rf

;

;;

c

ba

Ic Ib

I+

3 ;

3 ;


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6escarga de sobrevoltaes de origen externo, mediante pararayos

Estructura

ayo

7rco

a

b

c

;

;

;


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)obrevoltae temporal en subestación la 7 de un sistema de

transmisión debido a falla en la subestación <

a

b

c

;

;

;

IFRFR

T.R

Rf

a

bc

Φ=0

IF

Φ=-IF R

)=E 7

)=E <


13/42

a

b

c

R RT

T.R

R A

Circuito de retorno al neutro de una corriente residual de

falla.


14/42

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Longitud del arco (m)

R e s i s t e n c i a

d e l a r c o ( k o h m )

100 A

200 A

300 A

400 A

500 A

1000 A

esistencia de arco en función de su longitud y la corriente.

a 4.!"#$#%& I l R A ⋅=Ω


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IcIc

Ie>;e?

@e

@c

@&

&..

I

6escarga inversa en una estructura de una lnea de transmisión


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)olicitación del aislamiento de un transformador de distribución,

debido a un rayo

R 1

R 2

I

I/2 I/2

I/2

1 = R

1 I/2 2 0

13.2 kV / 0.220 kV

T.R.


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Clasificación de las puestas a tierra

! Puesta a tierra de protección.

Puesta a tierra de operación o funcionamiento.

! Puesta a tierra de servicio.

Es la que conecta conductivamente los elementos metálicos expuestos de unainstalación, aquellos elementos conductores, normalmente sin tensión >carcasas,

tuberas, crucetas , etc.? pero que pueden eventualmente adquirir un potencial

respecto tierra al producirse una falla en la instalación.

9ara el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos y de algunasde sus componentes es necesario en muc$as ocasiones establecer una

conexión a tierra en determinados puntos. Eemplos de este tipo de puesta a

tierra son la conexión a tierra del neutro de los generadores y de los

transformadores conectados en estrella, la conexión a tierra de los pararrayos,

cables protectores, etc.

En los trabaos de reparación y mantenimiento de muc$as instalaciones es

necesario conectar a tierra temporalmente las partes normalmente energi4adas

a fin de evitar accidentes debido a la reconexión indebida de la misma o a las

tensiones inducidas por sistemas energi4ados cercanos.


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equisitos de una puesta a tierra

'. equisitos de proyecto: que establecen las caractersticas

generales de la puesta a tierra.

(. equisitos de dise/o: caractersticas que deben tener los

constituyentes de una puesta a tierra, para que sea

efectiva, duradera, soporte las solicitaciones máximas

>mecánicas y eléctricas? a que puede estar sometida, etc.


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Requisitos de proyecto

%os requisitos normales de proyecto de una puesta a tierra, son:

! %a puesta tierra o sistema deberá tener, como máximo, un determinado valor de

resistencia establecido.

! %a puesta tierra o sistema deberá tener, como máximo, un determinado valor de

impedancia a impulso establecido.

! %a puesta tierra o sistema deberá abarcar un área tal que abarque todos los

elementos de la instalación que puedan adquirir potenciales peligrosos al

ocurrir una falla. 7demás los elementos de la puesta a tierra deben estar

dispuestos de manera que se cumpla con los requerimientos de seguridad para

las personas que trabaan o transitan en su interior o contorno.

! 6eben tenerse en cuenta los posibles riesgos que pueden presentarse para los

equipos instalados en el interior o exterior de la instalación protegida, y reali4ar

las acciones necesarias para disminuir estos riesgos de da/o a un mnimo,

considerando aspectos de costo=beneficio.


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equisitos de dise/o

%os requisitos de dise/o de una puesta a tierra dependen de las caractersticas particulares de esta y

de las condiciones del medio en que se encuentra. %os requisitos normalmente considerados son :

! %os diferentes elementos constituyentes de la puesta a tierra deberán poder conducir las corrientesmáximas que eventualmente puedan circular por ellos, durante el posible máximo tiempo, sin exceder

la temperatura máxima permisible. Esta temperatura depende del material de la puesta a tierra y del

tipo de unión usado entre sus partes. Este requerimiento es aplicable tanto a los elementos

>electrodos? que forman la puesta a tierra propiamente dic$a, como los elementos de unión entre la

puesta tierra, y los equipos y estructuras >cables de unión, prensas, conectores, etc.?.

! %os elementos de la puesta a tierra deberán soportar sin deterioro, los esfuer4os mecánicos a quepueden estar sometidos durantes las faenas de construcción.

! El material empleado en la construcción de la puesta a tierra deberá ser resistente a eventuales

ataques corrosivos del terreno y atmósfera.

! Ao se usaran en la puesta a tierra, materiales que pudieran producir corrección galvánica de

importancia en otros elementos metálicos enterrados. Elementos que pueden ser afectados son

tuberas de diferente uso, bases de estructuras, anclaes de estructuras de lneas atirantadas, etc.

! )e deberán sobredimensionar y proteger los conductores de conexión a la puesta a tierra en aquellos

casos en que el calentamiento normalmente aceptado en otras circunstancias, pudiera dar lugar a

incendios debido a la presencia de materiales de fácil combustión o inflamables.

! En 4onas con emanaciones gaseosas inflamables, deberá recurrirse a métodos adecuados para evitar

en su casi totalidad, posibles arcos eléctricos entre partes metálicas o entre estas y el terreno


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6efiniciones generales1. Tierra: Es la masa conductiva del terreno como un todo.

. Puesta a tierra: Es un conunto de uno mas electrodos metálicosdesnudos, enterrados en el terreno e interconectados eléctricamente

entre si, cuyo obetivo fundamental es proporcionar un contacto

eléctrico conductivo entre tierra y otros elementos metálicos que se

encuentran en una instalación sobre el terreno o en el terreno mismo.

!. Poner a Tierra: Es una acción intencional, mediante la cual

elementos activos del sistema, se conectan a una puesta a tierra, a

manera de establecer, de forma sólida, la tierra como potencial de

referencia.

". #onectar a tierra: Es una acción fsica intencional, de carácter

particular, reali4ada mediante conductores y conectores ad $oc, para

unir un determinado elemento metálico o punto de un circuito de una

instalación, con la puesta a tierra correspondiente. El obetivo es

establecer un potencial similar en todos estos elementos.


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6efiniciones generales

$. Tierra remota o de referencia: Es una 4ona del terreno,suficientemente distante de una puesta a tierra, tal que su potencial

no cambie ante variaciones de la corriente dispersada por la puesta a

tierra o sistema de puesta tierra. 6efinida de esta forma, la tierra

remota se encuentra ubicada a una distancia teóricamente infinita de

la puesta a tierra. )in embargo, para fines prácticos, toda 4ona a partir

de cierta distancia, puede considerarse como la tierra remota. Esta

distancia depende, por un lado de las dimensiones de la puesta a

tierra, y por otro lado, de la precisión aceptada en su edición o

análisis.

%. #orriente de tierra: Es la parte de la corriente residual de falla que es

dispersada por la puesta a tierra y que retorna al circuito

correspondiente a través de la tierra remota.


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6efiniciones generales&. '(ectrodo de tierra: Es el constituyente mas simple de una puesta a

tierra destinado a proporcionar un contacto con tierra. Consiste

generalmente de un tramo recto de conductor, enterrado en forma

vertical u $ori4ontal. Bna puesta a tierra puede estar constituida por

un solo electrodo por una combinación de electrodos.

). *a((a de tierra: Es una puesta a tierra comn a todos los elementos

metálicos y circuitos de una instalación o parte claramente definida de

la instalación. &iene como obetivo el poseer un adecuado valor de

resistencia y además controlar las solicitaciones de voltae a que

pueden quedar sometidas las personas, en el interior y contorno del

área abarcada por ella. Deneralmente consiste de un retculo deconductores interconectados y enterrados a cierta profundidad. %a

malla de tierra puede estar unida con otras puestas a tierra, mallas de

tierra o electrodos auxiliares, para meorar sus caractersticas y las del

conunto.


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6efiniciones generales+. *a((a equipotencia(: es un conunto de conductores o una reilla

metálica de material plegado, instalada sobre o bao el terreno o

suelo, conectada a una puesta a tierra principal y que tiene como

función principal establecer un potencial uniforme en el área

abarcada. En el caso de una falla residual que compromete a la

puesta a tierra principal, la malla equipotencial dispersa solo una

corriente de peque/a magnitud $acia el medio en que se encuentrainmersa o en contacto.

10. '(ectrodo au,i(iar de puesta a tierra: Es un electrodo elemental,

generalmente aleado de la puesta a tierra principal, que tiene como

función esencial meorar las caractersticas de esta ltima.

11. Resistencia a tierra: Es la resistencia existente entre un punto

cualquiera de una puesta a tierra y la tierra remota. )e define como el

cuociente entre el potencial eléctrico que adquiere una puesta a tierra

y la corriente dispersada por ésta.


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6efiniciones generales

1. istema de puesta a tierra: Es la interconexión intencional de

diferentes puestas a tierra ubicadas en un área determinada,

generalmente próximas entre si, con el obetivo de meorar las

caractersticas del conunto.

1!. Potencia(: Es el potencial eléctrico que existe entre una puesta a

tierra, un elemento metálico de una instalación, un punto del terreno,

etc., y la tierra remota o de referencia.

) id d d l i


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)eguridad de las personas y equipos

en instalaciones de alta tensión

! Introducción

! Efectos de la corriente en el ser $umano

! ;oltaes tolerables por el cuerpo $umano

! )olicitaciones de voltaes para las personas en una

instalación de alta tensión

! iesgos para los equipos en una instalación de alta

tensión

I t d ió


27/42

Introducción

Tensión superficia( a(rededor de una arra vertica( de ! m $/) por (a

cua( penetra una corriente de 1000 2

Introducción


28/42

Introducción

Tensión superficia( a(rededor de un conductor 3ori4onta( de 10 m "/0

256 por e( cua( penetra una corriente de 1000 2

Introducción


29/42

Introducción

Tensión superficia( a(rededor de una ma((a de 1% e(ectrodos por (a cua(

penetra una corriente de 1000 2


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Efectos de la corriente en el ser $umano

Para (os fines particu(ares que interesan en e( proyecto

y an7(isis de una puesta a tierra estos efectos sepueden de(imitar por (os si8uientes par7metros

caracter9sticos:

1. mra( de percepción:

. ;imite de contracción muscu(ar


31/42

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Tiempo en segundos

C o r r i e n t e e n A m p e r i o s

70 kg

50 kg

%imite de corriente que no alcan4a a producir fibrilación ;entricular con

un 33. de probabilidad en función del tiempo de exposición a la

corriente.

seg

mseg fvt

I '"(.$

=

seg

mseg fvt

I '

"

'#.$=

# Fg

0# Fg

;oltaes tolerables por el cuerpo $umano


32/42

;oltaes tolerables por el cuerpo $umano

m

Gm p=(Gm pGm pGm

m

I I II

I

I&..&..&..

H) H)' H)(

H#

I

I

I

I

II

$H#

I I

II

I

H##

c?b?a?

)olicitaciones de voltae tpicas en una instalación: a? entre manos y

pies b? entre pies c? entre manos.


33/42

101

102

103

104

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Resistivida del suelo en ohm-m

R e s i s t e n c i a d e

c o n t a c t o e n o h m

)S*'$$$)S*'$$$

+S*$.' m

$.$ m

4$$$

3$$$

!$$$

$$$

esistencia p de contacto de un pie en el terreno

++=

s

t s

s

s p

hr R

ρ

ρ ρ ρ

!ln

4

x 104


34/42

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Tiempo en segundos

V o l t a j e t o l e r a b l e e n V o l t i o s

Vmp

Vpp

Vmm

;oltaes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie para

una p de ### Ω

t V

tol mm

(=

t

RV

p

tol pp

!3!.$(+=

t

RV

p

tol mp

$'".$( +=


35/42

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

Tiempo en segundos

V o l t a j e

t o l e r a b l e

e n

v o l t i o s

Vmp

Vpp

Vmm

;oltaes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie para una

p de '### Ω

t V

tol mm

(=

t

RV p

tol pp!3!.$(+=

t

RV

p

tol mp

$'".$( +=

) li i i d l l


36/42

)olicitaciones de voltaes para las personas en unainstalación de alta tensión

b?a?

' m

;paso

φs

' m

;paso

φs

)olicitaciones de voltae entre pies ;paso en los contornos

de una puesta a tierra

φ$

) li it i d lt l


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b?a?

;cont

φs φs

)olicitaciones de voltae entre manos y pies ;mp en el

interior de una puesta a tierra

φ$

;cont

) li it i d lt l


38/42


H ≈#

Hs ≈ H#

Hs

H#

9otencial transferido a una puesta a tierra desde un punto

aleado

) li it i d lt l


39/42


Hs

H#

9otencial transferido desde una puesta a tierra a un punto

aleado

H ≈#

H ≈ H#

i l i i t l ió d lt


40/42

iesgos para los equipos en una instalación de alta

tensión

U=0U0

U=U0+U fn

)ubestación de

&ransformación''#='*.( J;

)ubestación de

6istribución'*.(=#.(" J;

)olicitación de voltae en un transformador, pararrayos y cable

que alimenta un transformador aleado


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7limentación de consumos de baa tensión desde una subestación

aleada con puesta a tierra comn para alta y baa tensión

0

)ubestación de

'*.(=#.(" J;=

0

>U fn

=0

n


42/42

Conexión del neutro leano a las carcasas de los consumos de baa

tensión

0

)ubestación de

'*.(=#.(" J;=

0

>U fn

=0

n

ma((a equipotencia(

introduccion y seguridad de personas y equipos

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