1

La puesta a tierra tiene como funcioacuten limitar la tensioacuten respecto a tierra

que debido a averiacuteas o fugas puedan presentarse en partes metaacutelicas de la vivienda

Lo que se hace es conectar todas las partes metaacutelicas de la vivienda a

tierra de tal forma que entre lo que esteacute conectado a tierra y tierra no exista diferencia de potencial

Se conecta a la superficie terrestre porque el globo terraacutequeo es tan

grande que el potencial permanece invariable sea cual sea la tensioacuten que se aplique sobre eacutel

La puesta a tierra protegen de contactos indirectos Sirve para limitar la tensioacuten de las partes metaacutelicas de la vivienda se conectan a tierra los

siguientes elementos

Lavadoras lavavajillas neveras microondas

Bantildeera griferiacutea laacutemparas cocina

Tambieacuten se debe proteger con la puesta a tierra al propio edificio de

descargas atmosfeacutericas (rayos)

QUEDA TERMINANTEMENTE PROHIBIDO Utilizar como toma de tierra tuberiacuteas metaacutelicas destinadas al paso de agua gas y similares

Se conectan a tierra los siguientes elementos

Contadores

Instalacioacuten de pararrayos

Antenas de TV y FM

Instalacioacuten de fontaneriacutea gas y calefaccioacuten

Estructuras metaacutelicas y armaduras de muros y soportes de hormigoacuten y elementos

metaacutelicos significativos

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Una toma de tierra consta de las siguientes partes

Toma de tierra

Liacuteneas principales de tierra

Derivaciones de las liacuteneas principales de tierra

Conductores de proteccioacuten

Es una instalacioacuten que no estaacute destinada al paso de corriente lo que hace es limitar la tensioacuten accidental

CERRAR

Toma de tierra

Consta de

1 Electrodo Masa metaacutelica permanentemente en buen contacto con el terreno para

facilitar el paso de las corrientes de defecto

2 Liacuteneas de enlace con tierra Varios conductores que unen los electrodos con el punto

de puesta a tierra La seccioacuten de los conductores no debe ser inferior a 35 mm2 si el

cable es de cobre

3 Puntos de puesta a tierra Puntos situados fuera del suelo que sirven de unioacuten entre las

liacuteneas de enlace con tierra y las liacuteneas principales de tierra

Liacuteneas principales de tierra

Cables que unen los puntos de puesta a tierra con las derivaciones necesarias para la puesta a tierra de las masas a traveacutes de los conductores

de proteccioacuten La seccioacuten de los conductores no debe ser inferior a 16 mm2 si el cable es de cobre

2

Una toma de tierra consta de las siguientes partes

Toma de tierra

Liacuteneas principales de tierra

Derivaciones de las liacuteneas principales de tierra

Conductores de proteccioacuten

Es una instalacioacuten que no estaacute destinada al paso de corriente lo que hace es limitar la tensioacuten accidental

CERRAR

Toma de tierra

Consta de

1 Electrodo Masa metaacutelica permanentemente en buen contacto con el terreno para

facilitar el paso de las corrientes de defecto

2 Liacuteneas de enlace con tierra Varios conductores que unen los electrodos con el punto

de puesta a tierra La seccioacuten de los conductores no debe ser inferior a 35 mm2 si el

cable es de cobre

3 Puntos de puesta a tierra Puntos situados fuera del suelo que sirven de unioacuten entre las

liacuteneas de enlace con tierra y las liacuteneas principales de tierra

Liacuteneas principales de tierra

Cables que unen los puntos de puesta a tierra con las derivaciones necesarias para la puesta a tierra de las masas a traveacutes de los conductores

de proteccioacuten La seccioacuten de los conductores no debe ser inferior a 16 mm2 si el cable es de cobre

3

Derivaciones de las liacuteneas principales de tierra

Conductores que unen las liacuteneas principales de tierra con los conductores de

proteccioacuten

Conductores de proteccioacuten

Sirven para unir eleacutectricamente las masas de la vivienda con los elementos citados anteriormente para la proteccioacuten al contacto indirecto

El color del aislante de este cable en una instalacioacuten es amarillo-verde

SOBRETENSIONES Y SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA (CAPITULO IX)

91 - INTRODUCCIOacuteN

En los sistemas eleacutectricos por distintas causas se presentan sobretensiones que pueden producir colapsos de la aislacioacuten y en consecuencia dantildeos yo peacuterdida del servicio

La aislacioacuten debe ser elegida econoacutemicamente sobredimensionarla implica aumentos de tamantildeo y peso de los cables y equipos aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminucioacuten de las densidades de corrientes y del aprovechamiento) factores que se reflejan todos en mayores costos

Por otra parte la aislacioacuten debe estar dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentaraacuten un ulterior sobredimensinamiento no implica beneficio alguno

Las sobretensiones que se presentan dependen de factores externos a la red de caracteriacutesticas de componentes de la red y de caracteriacutesticas de disentildeo de la red

El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del disentildeo en forma tal de lograr que las sobretensiones sean miacutenimas evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones eligiendo componentes adecuados por sus paraacutemetros y formas de operacioacuten previendo y proyectando las protecciones oportunas

Uno de los factores que maacutes influye en la magnitud de las sobretensiones es la conexioacuten a tierra del centro de estrella del sistema a medida que la impedancia de tierra disminuye se reduce el valor de las sobretensiones que se pueden presentar

Pero a su vez la reduccioacuten de la impedancia de tierra aumenta las corrientes de falla monofaacutesicas es asiacute que la eleccioacuten del sistema de puesta a tierra de la red es un compromiso entre condiciones de aislacioacuten y corrientes de cortocircuito aceptables

92 - SOBRETENSIONES CAUSAS Y EFECTOS

En un sistema trifaacutesico equilibrado la tensioacuten hacia tierra es la tensioacuten de fase

Efase = Eliacutenea raiacutez de tres

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Se denomina sobretensioacuten a toda tensioacuten funcioacuten del tiempo que supera el valor de cresta de la tensioacuten maacutes elevada

Una sobretensioacuten fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensioacuten simple Um raiacutez de dos raiacutez de tres

Una sobretensioacuten entre fases en valor relativo se indica en la forma K raiacutez de tres y se refiere tambieacuten a Um raiacutez de dos raiacutez de tres

Las causas de sobretensiones pueden ser varias y se enumeran a continuacioacuten las maacutes frecuentes

Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por descargas atmosfeacutericas en algunos casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores

Estas descargas son causa de ondas de sobretensioacuten que se desplazan por las liacuteneas del sistema alcanzando las estaciones eleacutectricas y solicitando los elementos de la red

Una nube cargada produce sobretensiones estaacuteticas de induccioacuten capacitiva y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensioacuten en la liacutenea se desplaza en forma anaacuteloga a las sobretensiones atmosfeacutericas

Efectos anaacutelogos al frotamiento debidos al viento (seco) producen cargas electrostaacuteticas en las liacuteneas

Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensioacuten inferior con un sistema de tensioacuten maacutes elevada y en consecuencia se presentaraacuten peligrosas sobretensiones en el sistema de tensioacuten inferior

Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias

Las conexiones en autrotransformador en casos de falla del circuito del lado alimentacioacuten implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles

Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes yo sobretensiones como generalmente hay nuacutecleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenoacutemenos de ferroresonancia

Las maniobras de interrupcioacuten son origen de sobretensiones de mayor o menor importancia seguacuten sea la forma de interrumpir del aparato y las caracteriacutesticas del circuito

El establecimiento de corriente en ciertos circuitos el restablecimiento de corriente (durante una interrupcioacuten) pueden dar lugar a sobretensiones

Las interrupciones bruscas de cargas crean tambieacuten sobretensiones en determinados puntos del sistema

Analizando el origen pueden clasificarse en sobretensiones de origen externo y de origen interno

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Analizando su duracioacuten en cambio se puede decir que son transitorias (de breve duracioacuten) temporarias (de duracioacuten importante) o permanentes

Analizando su forma se reconocen como impulsivas o perioacutedicas (de frecuencias bajas)

La clasificacioacuten por las caracteriacutesticas de duracioacuten y forma es particularmente importante porque la normalizacioacuten de ensayos cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones se basa precisamente en dicha clasificacioacuten

Asiacute se justifican los ensayos con sobretensiones

- de frecuencia industrial que simulan condiciones originadas en contactos desconexioacuten de cargas resonancia etc

- de maniobra debidas a esta causa y que se simulan con impulsos de tensioacuten que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos

- de impulso que simulan descargas atmosfeacutericas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100

Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas y en consecuencia los aparatos deben tener caracteriacutesticas adecuadas para soportarlas

Es importante que el equipamiento no sufra dantildeos ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones

La amplitud de las sobretensiones estaacute especialmente ligada a la conexioacuten maacutes o menos efectiva del neutro del sistema a tierra

Si el sistema estaacute aislado de tierra en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estaacuteticas

En casos de neutro aislado tambieacuten los contactos con circuitos de tensioacuten superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensioacuten superior y su desconexioacuten

En el disentildeo se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro de contactos de arcos intermitentes se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexioacuten de las cargas etc) por maniobras sean moderadas

Las sobretensiones de origen interno estaacuten ligadas a la tensioacuten nominal del sistema a traveacutes de alguacuten coeficiente que depende de la puesta a tierra

En cambio las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensioacuten nominal del sistema al menos en principio

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En su propagacioacuten por las liacuteneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenoacutemenos de efecto corona o por descargas en determinados puntos

Para limitar el valor de estas sobretensiones y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosfeacutericas se instalan descargadores

A veces a los descargadores se les asigna la funcioacuten de drenar tambieacuten las sobretensiones de maniobra

93 - COORDINACIOacuteN DE LA AISLACION

Con este nombre se trata la seleccioacuten de la capacidad de soportar las solicitaciones dieleacutectricas que deben tener materiales equipos e instalacioacuten en funcioacuten de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando tambieacuten las caracteriacutesticas de los dispositivos de proteccioacuten disponibles

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensioacuten maacutexima que se presenta en un punto de la red y elegir con caraacutecter ampliamente empiacuterico una tensioacuten de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente

En muchos casos la eleccioacuten del nivel de aislacioacuten es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes anaacutelogas

Una forma maacutes elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el caraacutecter de fenoacutemeno aleatorio que tienen las sobretensiones

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economiacutea y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen dantildeos al equipo o afecten la continuidad del servicio

No es econoacutemico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales

Se admite que auacuten en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio econoacutemico basado en costo y continuidad del servicio

La coordinacioacuten de la aislacioacuten estaacute esencialmente basada en limitar el riesgo de falla en lugar de fijar a priori un margen de seguridad

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 de seguridad contra fallas

La aislacioacuten puede ser externa en aire atmosfeacuterico o de superficies en contacto con la atmoacutesfera sometidas a la influencia de condiciones atmosfeacutericas polucioacuten humedad etc interna soacutelida liacutequida o gaseosa protegida de la influencia atmosfeacuterica

La aislacioacuten externa puede ser para interior protegida de la intemperie o para exterior

Se dice que una aislacioacuten tiene capacidad de regeneracioacuten cuando despueacutes de una descarga disruptiva recupera iacutentegramente sus caracteriacutesticas aislantes

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La capacidad de regeneracioacuten distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas de las soacutelidas una perforacioacuten del dieleacutectrico para estas uacuteltimas es un dantildeo permanente en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada y transcurrido cierto tiempo generalmente breve no afecta las caracteriacutesticas de la aislacioacuten

En consecuencia mientras que las aislaciones en aire pueden fallar las aislaciones soacutelidas no deben fallar en otras palabras los puntos deacutebiles de la instalacioacuten deben tener capacidad de regeneracioacuten

Las caracteriacutesticas de aislacioacuten de un aparato estaacuten ligadas a

- La tensioacuten nominal de la red valor eficaz de la tensioacuten entre fases a la que se refieren algunas caracteriacutesticas de funcionamiento de la misma

- Tensioacuten maacutes elevada de la red que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotacioacuten normales Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones)

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensioacuten maacutes elevada sea mayor o igual a la tensioacuten maacutes elevada de la red en la cual se utilizaraacute el material

Mientras que por encima de los 100 kV la tensioacuten maacutes elevada de la red coincide con la del material utilizado por debajo de dicha tensioacuten estos valores pueden ser distintos loacutegicamente la tensioacuten maacutes elevada de la red debe ser igual o menor de la del material

Se dice que el material es sometido a una sobretensioacuten cuando la tensioacuten en funcioacuten del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra y entre fases que corresponden a la tensioacuten maacutes elevada del material

Las sobretensiones son siempre fenoacutemenos transitorios

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto con sistemas de tensioacuten superior fallas intermitentes conexiones en autotransformador condiciones de ferroresonancia

Las uacutenicas sobretensiones que se presentan son entonces

- Tensioacuten a frecuencia industrial en condiciones normales

- Sobretensiones temporarias

- Sobretensiones de maniobra

- Sobretensiones atmosfeacutericas

Para las aislaciones sujetas a contaminacioacuten o envejecimiento el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida variacutea

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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Se denomina sobretensioacuten a toda tensioacuten funcioacuten del tiempo que supera el valor de cresta de la tensioacuten maacutes elevada

Una sobretensioacuten fase-tierra se refiere al valor de cresta de la tensioacuten simple Um raiacutez de dos raiacutez de tres

Una sobretensioacuten entre fases en valor relativo se indica en la forma K raiacutez de tres y se refiere tambieacuten a Um raiacutez de dos raiacutez de tres

Las causas de sobretensiones pueden ser varias y se enumeran a continuacioacuten las maacutes frecuentes

Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por descargas atmosfeacutericas en algunos casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores

Estas descargas son causa de ondas de sobretensioacuten que se desplazan por las liacuteneas del sistema alcanzando las estaciones eleacutectricas y solicitando los elementos de la red

Una nube cargada produce sobretensiones estaacuteticas de induccioacuten capacitiva y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensioacuten en la liacutenea se desplaza en forma anaacuteloga a las sobretensiones atmosfeacutericas

Efectos anaacutelogos al frotamiento debidos al viento (seco) producen cargas electrostaacuteticas en las liacuteneas

Pueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensioacuten inferior con un sistema de tensioacuten maacutes elevada y en consecuencia se presentaraacuten peligrosas sobretensiones en el sistema de tensioacuten inferior

Las vibraciones pueden producir condiciones de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias

Las conexiones en autrotransformador en casos de falla del circuito del lado alimentacioacuten implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles

Capacitancias e inductancias pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes yo sobretensiones como generalmente hay nuacutecleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenoacutemenos de ferroresonancia

Las maniobras de interrupcioacuten son origen de sobretensiones de mayor o menor importancia seguacuten sea la forma de interrumpir del aparato y las caracteriacutesticas del circuito

El establecimiento de corriente en ciertos circuitos el restablecimiento de corriente (durante una interrupcioacuten) pueden dar lugar a sobretensiones

Las interrupciones bruscas de cargas crean tambieacuten sobretensiones en determinados puntos del sistema

Analizando el origen pueden clasificarse en sobretensiones de origen externo y de origen interno

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Analizando su duracioacuten en cambio se puede decir que son transitorias (de breve duracioacuten) temporarias (de duracioacuten importante) o permanentes

Analizando su forma se reconocen como impulsivas o perioacutedicas (de frecuencias bajas)

La clasificacioacuten por las caracteriacutesticas de duracioacuten y forma es particularmente importante porque la normalizacioacuten de ensayos cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones se basa precisamente en dicha clasificacioacuten

Asiacute se justifican los ensayos con sobretensiones

- de frecuencia industrial que simulan condiciones originadas en contactos desconexioacuten de cargas resonancia etc

- de maniobra debidas a esta causa y que se simulan con impulsos de tensioacuten que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos

- de impulso que simulan descargas atmosfeacutericas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100

Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas y en consecuencia los aparatos deben tener caracteriacutesticas adecuadas para soportarlas

Es importante que el equipamiento no sufra dantildeos ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones

La amplitud de las sobretensiones estaacute especialmente ligada a la conexioacuten maacutes o menos efectiva del neutro del sistema a tierra

Si el sistema estaacute aislado de tierra en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estaacuteticas

En casos de neutro aislado tambieacuten los contactos con circuitos de tensioacuten superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensioacuten superior y su desconexioacuten

En el disentildeo se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro de contactos de arcos intermitentes se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexioacuten de las cargas etc) por maniobras sean moderadas

Las sobretensiones de origen interno estaacuten ligadas a la tensioacuten nominal del sistema a traveacutes de alguacuten coeficiente que depende de la puesta a tierra

En cambio las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensioacuten nominal del sistema al menos en principio

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En su propagacioacuten por las liacuteneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenoacutemenos de efecto corona o por descargas en determinados puntos

Para limitar el valor de estas sobretensiones y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosfeacutericas se instalan descargadores

A veces a los descargadores se les asigna la funcioacuten de drenar tambieacuten las sobretensiones de maniobra

93 - COORDINACIOacuteN DE LA AISLACION

Con este nombre se trata la seleccioacuten de la capacidad de soportar las solicitaciones dieleacutectricas que deben tener materiales equipos e instalacioacuten en funcioacuten de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando tambieacuten las caracteriacutesticas de los dispositivos de proteccioacuten disponibles

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensioacuten maacutexima que se presenta en un punto de la red y elegir con caraacutecter ampliamente empiacuterico una tensioacuten de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente

En muchos casos la eleccioacuten del nivel de aislacioacuten es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes anaacutelogas

Una forma maacutes elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el caraacutecter de fenoacutemeno aleatorio que tienen las sobretensiones

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economiacutea y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen dantildeos al equipo o afecten la continuidad del servicio

No es econoacutemico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales

Se admite que auacuten en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio econoacutemico basado en costo y continuidad del servicio

La coordinacioacuten de la aislacioacuten estaacute esencialmente basada en limitar el riesgo de falla en lugar de fijar a priori un margen de seguridad

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 de seguridad contra fallas

La aislacioacuten puede ser externa en aire atmosfeacuterico o de superficies en contacto con la atmoacutesfera sometidas a la influencia de condiciones atmosfeacutericas polucioacuten humedad etc interna soacutelida liacutequida o gaseosa protegida de la influencia atmosfeacuterica

La aislacioacuten externa puede ser para interior protegida de la intemperie o para exterior

Se dice que una aislacioacuten tiene capacidad de regeneracioacuten cuando despueacutes de una descarga disruptiva recupera iacutentegramente sus caracteriacutesticas aislantes

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La capacidad de regeneracioacuten distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas de las soacutelidas una perforacioacuten del dieleacutectrico para estas uacuteltimas es un dantildeo permanente en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada y transcurrido cierto tiempo generalmente breve no afecta las caracteriacutesticas de la aislacioacuten

En consecuencia mientras que las aislaciones en aire pueden fallar las aislaciones soacutelidas no deben fallar en otras palabras los puntos deacutebiles de la instalacioacuten deben tener capacidad de regeneracioacuten

Las caracteriacutesticas de aislacioacuten de un aparato estaacuten ligadas a

- La tensioacuten nominal de la red valor eficaz de la tensioacuten entre fases a la que se refieren algunas caracteriacutesticas de funcionamiento de la misma

- Tensioacuten maacutes elevada de la red que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotacioacuten normales Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones)

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensioacuten maacutes elevada sea mayor o igual a la tensioacuten maacutes elevada de la red en la cual se utilizaraacute el material

Mientras que por encima de los 100 kV la tensioacuten maacutes elevada de la red coincide con la del material utilizado por debajo de dicha tensioacuten estos valores pueden ser distintos loacutegicamente la tensioacuten maacutes elevada de la red debe ser igual o menor de la del material

Se dice que el material es sometido a una sobretensioacuten cuando la tensioacuten en funcioacuten del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra y entre fases que corresponden a la tensioacuten maacutes elevada del material

Las sobretensiones son siempre fenoacutemenos transitorios

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto con sistemas de tensioacuten superior fallas intermitentes conexiones en autotransformador condiciones de ferroresonancia

Las uacutenicas sobretensiones que se presentan son entonces

- Tensioacuten a frecuencia industrial en condiciones normales

- Sobretensiones temporarias

- Sobretensiones de maniobra

- Sobretensiones atmosfeacutericas

Para las aislaciones sujetas a contaminacioacuten o envejecimiento el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida variacutea

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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Analizando su duracioacuten en cambio se puede decir que son transitorias (de breve duracioacuten) temporarias (de duracioacuten importante) o permanentes

Analizando su forma se reconocen como impulsivas o perioacutedicas (de frecuencias bajas)

La clasificacioacuten por las caracteriacutesticas de duracioacuten y forma es particularmente importante porque la normalizacioacuten de ensayos cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones se basa precisamente en dicha clasificacioacuten

Asiacute se justifican los ensayos con sobretensiones

- de frecuencia industrial que simulan condiciones originadas en contactos desconexioacuten de cargas resonancia etc

- de maniobra debidas a esta causa y que se simulan con impulsos de tensioacuten que crecen en tiempos de los 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos

- de impulso que simulan descargas atmosfeacutericas que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 - 100

Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente distintas y en consecuencia los aparatos deben tener caracteriacutesticas adecuadas para soportarlas

Es importante que el equipamiento no sufra dantildeos ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones

La amplitud de las sobretensiones estaacute especialmente ligada a la conexioacuten maacutes o menos efectiva del neutro del sistema a tierra

Si el sistema estaacute aislado de tierra en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de secuencia cero en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas estaacuteticas

En casos de neutro aislado tambieacuten los contactos con circuitos de tensioacuten superior son muy peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensioacuten superior y su desconexioacuten

En el disentildeo se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro de contactos de arcos intermitentes se deben controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexioacuten de las cargas etc) por maniobras sean moderadas

Las sobretensiones de origen interno estaacuten ligadas a la tensioacuten nominal del sistema a traveacutes de alguacuten coeficiente que depende de la puesta a tierra

En cambio las sobretensiones de origen externo tienen una amplitud que no depende de la tensioacuten nominal del sistema al menos en principio

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En su propagacioacuten por las liacuteneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenoacutemenos de efecto corona o por descargas en determinados puntos

Para limitar el valor de estas sobretensiones y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosfeacutericas se instalan descargadores

A veces a los descargadores se les asigna la funcioacuten de drenar tambieacuten las sobretensiones de maniobra

93 - COORDINACIOacuteN DE LA AISLACION

Con este nombre se trata la seleccioacuten de la capacidad de soportar las solicitaciones dieleacutectricas que deben tener materiales equipos e instalacioacuten en funcioacuten de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando tambieacuten las caracteriacutesticas de los dispositivos de proteccioacuten disponibles

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensioacuten maacutexima que se presenta en un punto de la red y elegir con caraacutecter ampliamente empiacuterico una tensioacuten de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente

En muchos casos la eleccioacuten del nivel de aislacioacuten es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes anaacutelogas

Una forma maacutes elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el caraacutecter de fenoacutemeno aleatorio que tienen las sobretensiones

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economiacutea y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen dantildeos al equipo o afecten la continuidad del servicio

No es econoacutemico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales

Se admite que auacuten en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio econoacutemico basado en costo y continuidad del servicio

La coordinacioacuten de la aislacioacuten estaacute esencialmente basada en limitar el riesgo de falla en lugar de fijar a priori un margen de seguridad

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 de seguridad contra fallas

La aislacioacuten puede ser externa en aire atmosfeacuterico o de superficies en contacto con la atmoacutesfera sometidas a la influencia de condiciones atmosfeacutericas polucioacuten humedad etc interna soacutelida liacutequida o gaseosa protegida de la influencia atmosfeacuterica

La aislacioacuten externa puede ser para interior protegida de la intemperie o para exterior

Se dice que una aislacioacuten tiene capacidad de regeneracioacuten cuando despueacutes de una descarga disruptiva recupera iacutentegramente sus caracteriacutesticas aislantes

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La capacidad de regeneracioacuten distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas de las soacutelidas una perforacioacuten del dieleacutectrico para estas uacuteltimas es un dantildeo permanente en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada y transcurrido cierto tiempo generalmente breve no afecta las caracteriacutesticas de la aislacioacuten

En consecuencia mientras que las aislaciones en aire pueden fallar las aislaciones soacutelidas no deben fallar en otras palabras los puntos deacutebiles de la instalacioacuten deben tener capacidad de regeneracioacuten

Las caracteriacutesticas de aislacioacuten de un aparato estaacuten ligadas a

- La tensioacuten nominal de la red valor eficaz de la tensioacuten entre fases a la que se refieren algunas caracteriacutesticas de funcionamiento de la misma

- Tensioacuten maacutes elevada de la red que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotacioacuten normales Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones)

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensioacuten maacutes elevada sea mayor o igual a la tensioacuten maacutes elevada de la red en la cual se utilizaraacute el material

Mientras que por encima de los 100 kV la tensioacuten maacutes elevada de la red coincide con la del material utilizado por debajo de dicha tensioacuten estos valores pueden ser distintos loacutegicamente la tensioacuten maacutes elevada de la red debe ser igual o menor de la del material

Se dice que el material es sometido a una sobretensioacuten cuando la tensioacuten en funcioacuten del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra y entre fases que corresponden a la tensioacuten maacutes elevada del material

Las sobretensiones son siempre fenoacutemenos transitorios

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto con sistemas de tensioacuten superior fallas intermitentes conexiones en autotransformador condiciones de ferroresonancia

Las uacutenicas sobretensiones que se presentan son entonces

- Tensioacuten a frecuencia industrial en condiciones normales

- Sobretensiones temporarias

- Sobretensiones de maniobra

- Sobretensiones atmosfeacutericas

Para las aislaciones sujetas a contaminacioacuten o envejecimiento el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida variacutea

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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En su propagacioacuten por las liacuteneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por fenoacutemenos de efecto corona o por descargas en determinados puntos

Para limitar el valor de estas sobretensiones y proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosfeacutericas se instalan descargadores

A veces a los descargadores se les asigna la funcioacuten de drenar tambieacuten las sobretensiones de maniobra

93 - COORDINACIOacuteN DE LA AISLACION

Con este nombre se trata la seleccioacuten de la capacidad de soportar las solicitaciones dieleacutectricas que deben tener materiales equipos e instalacioacuten en funcioacuten de las tensiones que pueden aparecer en las redes considerando tambieacuten las caracteriacutesticas de los dispositivos de proteccioacuten disponibles

El enfoque tradicional de este problema consiste en evaluar la sobretensioacuten maacutexima que se presenta en un punto de la red y elegir con caraacutecter ampliamente empiacuterico una tensioacuten de ensayo que presente un margen de seguridad conveniente

En muchos casos la eleccioacuten del nivel de aislacioacuten es hecha simplemente en base a experiencia adquirida en redes anaacutelogas

Una forma maacutes elaborada de enfrentar el problema conduce a considerar el caraacutecter de fenoacutemeno aleatorio que tienen las sobretensiones

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economiacutea y del servicio la probabilidad de que se presenten solicitaciones que causen dantildeos al equipo o afecten la continuidad del servicio

No es econoacutemico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales

Se admite que auacuten en un material bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio econoacutemico basado en costo y continuidad del servicio

La coordinacioacuten de la aislacioacuten estaacute esencialmente basada en limitar el riesgo de falla en lugar de fijar a priori un margen de seguridad

Debe reconocerse que los ensayos no permiten garantizar el 100 de seguridad contra fallas

La aislacioacuten puede ser externa en aire atmosfeacuterico o de superficies en contacto con la atmoacutesfera sometidas a la influencia de condiciones atmosfeacutericas polucioacuten humedad etc interna soacutelida liacutequida o gaseosa protegida de la influencia atmosfeacuterica

La aislacioacuten externa puede ser para interior protegida de la intemperie o para exterior

Se dice que una aislacioacuten tiene capacidad de regeneracioacuten cuando despueacutes de una descarga disruptiva recupera iacutentegramente sus caracteriacutesticas aislantes

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La capacidad de regeneracioacuten distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas de las soacutelidas una perforacioacuten del dieleacutectrico para estas uacuteltimas es un dantildeo permanente en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada y transcurrido cierto tiempo generalmente breve no afecta las caracteriacutesticas de la aislacioacuten

En consecuencia mientras que las aislaciones en aire pueden fallar las aislaciones soacutelidas no deben fallar en otras palabras los puntos deacutebiles de la instalacioacuten deben tener capacidad de regeneracioacuten

Las caracteriacutesticas de aislacioacuten de un aparato estaacuten ligadas a

- La tensioacuten nominal de la red valor eficaz de la tensioacuten entre fases a la que se refieren algunas caracteriacutesticas de funcionamiento de la misma

- Tensioacuten maacutes elevada de la red que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotacioacuten normales Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones)

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensioacuten maacutes elevada sea mayor o igual a la tensioacuten maacutes elevada de la red en la cual se utilizaraacute el material

Mientras que por encima de los 100 kV la tensioacuten maacutes elevada de la red coincide con la del material utilizado por debajo de dicha tensioacuten estos valores pueden ser distintos loacutegicamente la tensioacuten maacutes elevada de la red debe ser igual o menor de la del material

Se dice que el material es sometido a una sobretensioacuten cuando la tensioacuten en funcioacuten del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra y entre fases que corresponden a la tensioacuten maacutes elevada del material

Las sobretensiones son siempre fenoacutemenos transitorios

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto con sistemas de tensioacuten superior fallas intermitentes conexiones en autotransformador condiciones de ferroresonancia

Las uacutenicas sobretensiones que se presentan son entonces

- Tensioacuten a frecuencia industrial en condiciones normales

- Sobretensiones temporarias

- Sobretensiones de maniobra

- Sobretensiones atmosfeacutericas

Para las aislaciones sujetas a contaminacioacuten o envejecimiento el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida variacutea

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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La capacidad de regeneracioacuten distingue fundamentalmente las aislaciones gaseosas de las soacutelidas una perforacioacuten del dieleacutectrico para estas uacuteltimas es un dantildeo permanente en cambio una descarga en gas (eventualmente en aire) una vez terminada y transcurrido cierto tiempo generalmente breve no afecta las caracteriacutesticas de la aislacioacuten

En consecuencia mientras que las aislaciones en aire pueden fallar las aislaciones soacutelidas no deben fallar en otras palabras los puntos deacutebiles de la instalacioacuten deben tener capacidad de regeneracioacuten

Las caracteriacutesticas de aislacioacuten de un aparato estaacuten ligadas a

- La tensioacuten nominal de la red valor eficaz de la tensioacuten entre fases a la que se refieren algunas caracteriacutesticas de funcionamiento de la misma

- Tensioacuten maacutes elevada de la red que aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en condiciones de explotacioacuten normales Este valor no tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones)

El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensioacuten maacutes elevada sea mayor o igual a la tensioacuten maacutes elevada de la red en la cual se utilizaraacute el material

Mientras que por encima de los 100 kV la tensioacuten maacutes elevada de la red coincide con la del material utilizado por debajo de dicha tensioacuten estos valores pueden ser distintos loacutegicamente la tensioacuten maacutes elevada de la red debe ser igual o menor de la del material

Se dice que el material es sometido a una sobretensioacuten cuando la tensioacuten en funcioacuten del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra y entre fases que corresponden a la tensioacuten maacutes elevada del material

Las sobretensiones son siempre fenoacutemenos transitorios

Un sistema correctamente realizado debe evitar que se produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto con sistemas de tensioacuten superior fallas intermitentes conexiones en autotransformador condiciones de ferroresonancia

Las uacutenicas sobretensiones que se presentan son entonces

- Tensioacuten a frecuencia industrial en condiciones normales

- Sobretensiones temporarias

- Sobretensiones de maniobra

- Sobretensiones atmosfeacutericas

Para las aislaciones sujetas a contaminacioacuten o envejecimiento el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida variacutea

Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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94 - DESCARGADORES

Los descargadores son aparatos destinados a proteger el material eleacutectrico contra las sobretensiones transitorias elevadas drenaacutendolas y limitando su duracioacuten y eventualmente la amplitud de la corriente subsiguiente

Estaacuten formados esencialmente por un espinteroacutemetro (o maacutes) y un elemento limitador de corriente (o maacutes)

Se tienen descargadores de resistencia variable no lineal y descargadores a expulsioacuten

Los descargadores de oacutexido de zinc son los maacutes modernos y su efecto puede ser comparado al de los diodos zenner

En los descargadores de resistencia variable la descarga inicia en el espinteroacutemetro la corriente crece a valores elevados y luego disminuye siendo limitada por el resistor cuya resistencia aumenta con la disminucioacuten de la corriente finalmente en el mismo espinteroacutemetro se produce la interrupcioacuten

El espinteroacutemetro puede tener configuraciones especiales que tienden a alargar el arco a producir un soplado en ciertos casos se tienen elementos que producen un soplado magneacutetico y esto contribuye a facilitar la interrupcioacuten

En cambio los descargadores a expulsioacuten poseen una caacutemara de interrupcioacuten en la cual el arco es confinado entra en contacto con un material que desprende gas y el arco se apaga producieacutendose asiacute la interrupcioacuten de la corriente

Los descargadores de oacutexido de zinc pueden tener espinteroacutemetro o no en todos los casos el efecto del funcionamiento del descargador es una sensible limitacioacuten del valor de la tensioacuten en sus bornes

Habitualmente se conectan entre los conductores de la red y tierra pero en ciertos casos se los conecta entre bornes de los aparatos protegidos (entre los conductores)

Las caracteriacutesticas de los descargadores son

- Tensioacuten nominal que es el valor maacuteximo especificado de tensioacuten eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes para la cual el descargador funciona correctamente Esta tensioacuten puede ser aplicada en forma continua sin modificar sus caracteriacutesticas de funcionamiento

Como generalmente el descargador se instala entre fases y tierra la eleccioacuten de su tensioacuten nominal debe tener en cuenta el grado de puesta a tierra de la red en el punto en que el descargador se instala

Cuando la puesta a tierra estaacute asegurada los descargadores pueden ser para el 80 de la tensioacuten compuesta del sistema a medida que la puesta a tierra es menos efectiva este valor aumenta pudiendo llegar a ser necesario 100 o maacutes

- Frecuencia nominal no requiere explicaciones

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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Las ondas de impulso (tensiones o corrientes) se caracterizan por ser unidireccionales sin oscilaciones apreciables que crecen raacutepidamente hasta el valor maacuteximo y caen luego a cero con eventuales pequentildeas ondas de polaridad opuesta

Los paraacutemetros que definen una onda de impulso son los siguientes

- Polaridad

- Valor de cresta (maacuteximo)

- Duracioacuten del frente (que precede a la cresta) T1

- Duracioacuten de la cola hasta el semivalor T2

Las ondas rectangulares de impulso en cambio crecen raacutepidamente se mantienen en un valor praacutecticamente constante durante un tiempo largo y caen raacutepidamente a cero

Los paraacutemetros que definen esta onda son

- Polaridad

- Valor de cresta

- Duracioacuten convencional de la cresta

- Duracioacuten convencional total

Se dice que una onda de tensioacuten de impulso es plena cuando no es interrumpida (cortada) por una descarga contorneo o perforacioacuten la onda cortada puede serlo en el frente en la cresta o en la cola y a partir del instante de corte la tensioacuten cae bruscamente

La onda de sobretensioacuten normalizada que simula la descarga atmosfeacuterica es 1250 microsegundos

La onda de sobretensioacuten cuyo frente convencional es superior a 30 microsegundos se clasifica como sobretensioacuten de maniobra

Inmediatamente despueacutes que inicia la descarga del explosor circula la corriente de descarga que es causada por la sobretensioacuten la tensioacuten de la red causa la corriente subsiguiente que se produce ni bien desaparece la tensioacuten de descarga

La corriente de descarga normal se define para una onda 820 microsegundos

Volviendo a las caracteriacutesticas del descargador se debe citar

- Tensioacuten de descarga a frecuencia industrial (cebado) es el valor eficaz de tensioacuten que produce la descarga de los espinteroacutemetros

Logicamente esta caracteriacutestica del descargador debe superar a la maacutexima tensioacuten a frecuencia industrial que puede presentarse auacuten en condiciones anormales

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

13

insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

15

La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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En ciertos casos tambieacuten deben tenerse en cuenta las sobretensiones de maniobra que pueden solicitar en modo inaceptable al descargador

- Tensioacuten de descarga a impulso (onda plena) es el valor maacutes elevado que se obtiene con una onda de impulso antes de que se produzca la descarga

Contrariamente esta caracteriacutestica debe ser la menor posible ya que aumenta asiacute el margen de proteccioacuten

- Tensioacuten de descarga sobre el frente de onda

- Duracioacuten de la descarga tiempo comprendido entre el cero convencional y el instante de descarga

- Tensioacuten residual es la que aparece en bornes mientras circula la corriente de descarga

- Nivel de proteccioacuten tensioacuten maacutes elevada que se presenta cuando se somete al dispositivo de proteccioacuten a la solicitacioacuten debida a un impulso

- Factor de proteccioacuten es la relacioacuten entre el nivel de proteccioacuten y el valor de cresta de la tensioacuten nominal del dispositivo de proteccioacuten

Las caracteriacutesticas de proteccioacuten estaacuten dadas por las siguientes combinaciones

- Curva tensioacuten-tiempo de descarga en onda de impulso normal

- Curva tensioacuten residual-corriente de descarga

- Curva de tensioacuten-tiempo de descarga para sobretensiones de maniobra (para tensioacuten superior a 100 kV)

Una vez comenzada la descarga por una falla del descargador debida a sobretensiones anormales corriente de descarga elevada o instalaciones equivocadas puede no ser interrumpida la corriente subsiguiente para evitar la explosioacuten del descargador se preveacuten elementos de desconexion o dispositivos de alivio de presioacuten cuya funcioacuten es evitar que permanezca la falla o al menos impedir la explosioacuten

Los ensayos tratan de representar en forma normalizada las solicitaciones que el descargador sufriraacute en su vida y permiten controlar la calidad del disentildeo y uniformidad de la produccioacuten

Algunos ensayos no son representativos sobre algunos tipos de aparatos en cada caso las normas y recomendaciones de ensayo fijan los criterios a seguir

- Ensayo de tensioacuten de descarga a frecuencia industrial

Los descargadores de oacutexido de zinc sin espinteroacutemetro no pueden soportar este ensayo para ellos en cambio es importante un ensayo de estabilidad teacutermica a la tensioacuten maacutexima que les corresponde soportar

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

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El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

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insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

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La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

16

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

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- Ensayo de descarga a impulso con impulsos de valor creciente se determina la curva tensioacuten-tiempo tanto para ondas de impulso atmosfeacuterico como para maniobras si corresponde

- Ensayo de verificacioacuten de tensioacuten residual con corrientes de forma 820 microsegundos entre 05 y 2 veces la corriente nominal del descargador se obtienen valores representativos

- Ensayos de resistencia a corrientes de impulso de gran amplitud se aplica un impulso de corriente 410 microsegundos del orden de 10 veces la corriente nominal del descargador Realizando este ensayo (dos impulsos) la tensioacuten de descarga a frecuencia industrial no debe haber praacutecticamente variado

- Ensayos con corrientes de larga duracioacuten (2000 microsegundos) se aplican 20 descargas y las condiciones finales deben ser como para el ensayo anterior

- Ensayo de funcionamiento eacuteste trata de representar condiciones reales de funcionamiento aplicando simultaacuteneamente una tensioacuten de impulso y una tensioacuten de frecuencia industrial sincronizada de tal manera de que las solicitaciones que se presentan sean las maacuteximas

Para los descargadores de resistencia variable se ha adoptado una clasificacioacuten que estaacute ligada a la corriente nominal de descarga y que define los ensayos que se les hacen

- Descargadores para estacioacuten (10 kA) que pueden ser para servicio no intenso o intenso

- Descargadores intermedios o de distribucioacuten para aparatos (5 kA series A y B)

- Descargadores para circuitos secundarios para aparatos (25 - 15 kA)

Los descargadores de expulsioacuten son menos nobles y menos costosos no se utilizan para proteccioacuten de estaciones y se clasifican en los siguientes tipos

- Para distribucioacuten (con capacidades de descarga de 30 oacute 65 kA)

- Para transmisioacuten - liacuteneas (65 kA)

Las caracteriacutesticas en general son anaacutelogas sin embargo por la particular forma de funcionamiento para utilizarlos se deben tener en cuenta las siguientes condiciones del punto de instalacioacuten

- Corriente presunta de cortocircuito maacutexima y miacutenima teniendo en cuenta las modificaciones de estructura y potencia de la red y su conexioacuten a tierra

- Factor de potencia o relacioacuten RX

- Tensioacuten transitoria de retorno (factor de amplitud y frecuencia propia)

Estas condiciones son las mismas que sirven para estudiar la aplicacioacuten de un interruptor en ese punto y efectivamente el descargador de expulsioacuten se comporta como tal creando un cortocircuito y luego interrumpieacutendolo

12

El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

13

insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

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- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

12

El campo de aplicaciones de estos uacuteltimos aparatos tiene entonces algunas restricciones

La tensioacuten que se tiene en bornes del descargador difiere de la que se presenta en bornes del aparato protegido por las caiacutedas de tensioacuten que se producen en los conductores de conexioacuten del descargador a la liacutenea y a la tierra y por las condiciones de propagacioacuten de la onda

En consecuencia es de gran importancia que estas conexiones sean lo mas cortas posibles y que la red de tierra sea un punto comuacuten entre el descargador y el elemento protegido en la medida en que la realizacioacuten constructiva se aleje de esta condicioacuten la tensioacuten sobre el elemento protegido sea mayor

Asimismo es importante que el descargador esteacute proacuteximo al elemento que debe proteger para que la proteccioacuten tenga maacutexima eficiencia en la medida que la distancia entre descargador y elemento protegido aumente la proteccioacuten resultaraacute menos eficiente

95 - DISTANCIAS ELEacuteCTRICAS

Una instalacioacuten es realizada con un conjunto de aparatos eleacutectricos unipolares yo tripolares que se unen entre siacute por medio de conductores barras

En muchos casos la instalacioacuten entre barras (de distintas fases) entre partes metaacutelicas en tensioacuten de los aparatos y partes metaacutelicas a tierra es en aire

En algunos casos los conductores estaacuten protegidos por una aislacion que sin embargo solo cumple la funcioacuten de evitar fallas francas pero la aislacion efectiva se consigue en aire

Las distancias en aire entre puntos en tensioacuten y entre eacutestos y masa son solicitadas por las sobretensiones y deben soportarlas

Los aparatos eleacutectricos que se someten a ensayos tienen en cuenta en su disentildeo distancias suficientes para que estas distancias soporten las solicitaciones de los ensayos y que son representativas de las que ocurriraacuten en servicio

La instalacioacuten montada y terminada en general no puede ser sometida a ensayos y en consecuencia se la proyecta teniendo en cuenta distancias miacutenimas determinadas experimentalmente para configuraciones similares

Estas distancias dependen de las solicitaciones de tensioacuten que deben ser soportadas de la forma de los electrodos y de la probabilidad de descarga que se acepta

El dimensionamiento de la aislacioacuten implica determinar la distancia miacutenima entre un elemento que estaacute bajo tensioacuten y la tierra y entre dos elementos que estaacuten bajo tensioacuten esta distancia debe ser respetada para el buen funcionamiento de la instalacioacuten consideraciones de seguridad de las personas pueden exigir mayores distancias

Las normas recomiendan distancias miacutenimas que permiten asegurar una buena aislacioacuten pero en ciertas configuraciones particulares de electrodos pueden ser

13

insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

15

La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

16

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

13

insuficientes en estos casos debe cambiarse la forma de los electrodos o aumentar la distancia

La forma de los electrodos debe ser adecuada para la aislacioacuten pero tambieacuten para el buen comportamiento desde otros puntos de vista radiodisturbios arcos eleacutectricos etc asiacute es que determinadas configuraciones de electrodos en general se evitan

Las distancias deben asegurar aislacioacuten auacuten en el caso de desplazamiento de los conductores debido a las acciones del viento yo cortocircuitos

Estas condiciones consideradas como accidentales exigen distancias en general menores que las fijadas para la condicioacuten normal

Otra distancia que es necesario controlar para el buen funcionamiento eleacutectrico de la instalacioacuten es la distancia de aislacioacuten superficial

Esta distancia es determinada por la tensioacuten maacutexima de servicio y el nivel de contaminacioacuten

El nivel de contaminacioacuten puede ser nulo en zonas sin industrias ni habitaciones lejos del mar y con lluvias donde los aisladores quedan limpios y va en aumento en las zonas industriales y en la proximidad del mar

Los aisladores se recubren de sal humo o mezclas que a causa de la neblina producen caminos para corrientes superficiales que pueden llegar a descargas que afectan el servicio

Para soportar estas solicitaciones se aumenta la liacutenea de fuga de los aisladores (distancia superficial) pasando de 2 a 6 cmkV eficaz

La tensioacuten de referencia para la liacutenea de fuga es la maacutexima fase-tierra en valor eficaz

96 - PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO

La aislacioacuten del neutro de la red o su conexioacuten a tierra directa o por medio de una impedancia (resistencia o reactancia) o con una bobina resonante (de extincioacuten - Petersen) constituye una cuestioacuten que debe ser examinada bajo distintos puntos de vista y que permite llegar a distintas soluciones seguacuten el criterio que se fije

Cuando en un sistema trifaacutesico se produce una falla a tierra de una fase se presentan tensiones y corrientes de falla que para su estudio se descomponen en componentes simeacutetricas

En los sistemas con neutro aislado el potencial de los distintos puntos del sistema respecto de tierra no estaacute definido

En rigor el sistema tiene cierta capacitancia respecto de los cuerpos que lo rodean y en consecuencia el potencial quedaraacute definido de esta manera si aparece por ejemplo un cuerpo cargado una nube sobre una liacutenea aeacuterea el potencial de esta uacuteltima variaraacute

El sistema estaacute conectado a tierra a traveacutes de capacidades sin embargo se denomina sistema con neutro aislado ya que no tiene una conexioacuten a tierra intencional

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

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La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

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Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

14

La corriente de falla estaacute limitada por las impedancias de las capacidades equivalentes y eventualmente la resistencia de la falla esta corriente es independiente (praacutecticamente) del punto en que ocurre la falla

El punto de falla si estaacute conectado a tierra a traveacutes de cierta resistencia asume una tensioacuten que no debe alcanzar valores peligrosos es importante entonces que las conexiones a tierra sean de baja impedancia y seguras para que no presenten peligro

En un sistema con neutro aislado la aparicioacuten de una falla no afecta la operacioacuten pero pone al sistema en una condicioacuten muy riesgosa ya que la segunda falla crearaacute una condicioacuten de cortocircuito bifaacutesico con corriente de falla elevada y que puede afectar distintas liacuteneas

El tiempo de funcionamiento de un sistema con neutro aislado en condiciones de falla debe ser limitado para minimizar riesgos

En la praacutectica las desventajas de los sistemas con neutro aislado son tales que soacutelo se utilizan en redes de distribucioacuten de pequentildea magnitud

Si se utiliza este sistema se debe

- Tener un seguro aviso de falla

- No funcionar en falla maacutes de cierto tiempo

- Tener puestas a tierra seguras que en caso de fallas no presenten tensiones peligrosas

- Maacutexima eficiencia en el mantenimiento

El caso extremo opuesto del neutro aislado es conectar el neutro a tierra riacutegidamente (a traveacutes de una impedancia nula) las corrientes de falla dependen del sistema y del punto de falla

Las corrientes de falla son relativamente elevadas las tensiones de falla para que no sean peligrosas exigen impedancias de las conexiones a tierra muy bajas El sistema no puede funcionar con falla y la corriente de falla se utiliza como orden de actuacioacuten de las protecciones y se aiacutesla la falla Si se utiliza este sistema se debe

- Eliminar raacutepidamente la falla

- Controlar las tensiones peligrosas en caso de falla

En los sistemas con corrientes de falla elevadas se presenta el inconveniente de que deben realizarse ciclos de mantenimiento frecuentes sobre los aparatos y en especial los interruptores

Es conveniente entonces tratar de limitar de alguna manera las corrientes de falla y en especial las que tienen mayores probabilidades de ocurrencia fallas monofaacutesicas a tierra para esto se conecta el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia (resistencia o reactancia)

15

La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

16

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

15

La limitacioacuten de la corriente de falla monofaacutesica es necesaria tambieacuten para evitar solicitaciones dantildeinas en los generadores e interferencias en las redes de comunicacioacuten

Se puede lograr una buena deteccioacuten de la falla auacuten con corrientes relativamente pequentildeas del orden de las corrientes normales y auacuten menos (10 - 50 A)

Esta situacioacuten se consigue con una resistencia de puesta a tierra o un transformador conectado entre el centro de estrella y la tierra y con una resistencia en el secundario

La corriente de falla puede limitarse menos del 25 de la falla trifaacutesica

Tambieacuten con una inductancia puede lograrse limitar la corriente de falla a ese orden pero las sobretensiones de maniobra que se presentan en un sistema asiacute concebido son excesivas y la solucioacuten soacutelo puede aplicarse en baja tensioacuten

Cuando la corriente de falla monofaacutesica debe ser igual o ligeramente inferior a la corriente de falla trifaacutesica la puesta a tierra del neutro puede hacerse con reactancia de bajo valor oacutehmico

En este caso las sobretensiones de maniobra son aceptables

Un meacutetodo de puesta a tierra que tienen las ventajas del neutro aislado pero no presenta los inconvenientes es la puesta a tierra con bobina resonante (bobina de Petersen)

Se trata de que la corriente en la bobina sea igual a la corriente capacitiva en situacioacuten de falla de manera de que la corriente de falla es nula y la corriente se extingue

Como praacutecticamente el 80 de las fallas son monofaacutesicas si no son fallas permanentes se autoextinguiraacuten

Si la capacitancia del sistema variacutea porque variacutea la configuracioacuten o la extensioacuten de la red la bobina deberaacute sintonizarse

Los liacutemites de aplicabilidad de este sistema estaacuten fijados por las posibilidades de sintonizacioacuten de potencia del reactor de extensioacuten de la red y del valor de la tensioacuten

Las bobinas de Petersen no pueden ser utilizadas para poner a tierra el secundario de un transformador Yy cuyo primario estaacute riacutegidamente a tierra ya que pueden producirse fenoacutemenos de resonancia

Los factores que se consideran en estos anaacutelisis son

- Sensibilidad y selectividad de los releacutes de tierra

- Limitacioacuten del valor de la corriente de falla

- Posibilidad de proteccioacuten econoacutemica con descargadores

- Limitacioacuten de sobretensiones transitorias del sistema del sistema en casos de falla a tierra

16

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

16

Cuando el neutro del sistema no es accesible se puede realizar un neutro artificial con un transformador Yd conectado a tierra el neutro de la estrella o un reactor en conexioacuten Z

Ambos esquemas permiten tener elevada impedancia de secuencia directa y baja impedancia de secuencia cero con lo que resulta un efecto adecuado

Cualquier punto del sistema puede ser conectado a tierra sin embargo como en caso de falla parte de la red se separa la puesta a tierra debe estar siempre del lado de alimentacioacuten para que no se presenten situaciones con neutro aislado

La conexioacuten del neutro a tierra tambieacuten tiene influencia en la solicitacioacuten de la aislacioacuten de los elementos de la red y en particular los descargadores

Para un punto de la red y para un esquema dado de la red en caso de falla a tierra de una fase (o maacutes) en un punto cualquiera de la red se presenta cierta tensioacuten (excluido el periacuteodo transitorio) entre fase sana y tierra Este valor referido a la tensioacuten fase-tierra cuando no se tiene falla da el factor de falla a tierra

Cuando XOX1 es menor de 3 y ROX1 es menor de 1 el factor de falla a tierra no es superior a 14

Estas relaciones se evaluacutean en base al circuito equivalente de la red en el que se han representado las maacutequinas rotantes con sus reactancias subtransitorias

En los sistemas de tensioacuten nominal mayor de 100 kV se utilizan distintos niveles de aislacioacuten seguacuten se tenga el neutro a tierra o no

Por esta razoacuten para reducir el nivel de aislacioacuten o al menos las solicitaciones se prefiere realizar los sistemas con el neutro a tierra

En cambio en tensiones medias no existen casi ventajas econoacutemicas en la aislacioacuten (solo se tienen para los descargadores) y en consecuencia se prefiere limitar las corrientes de falla mantenieacutendolas suficientemente elevadas para lograr una buena coordinacioacuten de las protecciones y en general se hacen instalaciones con resistores de puesta a tierra

En bajas tensiones las dificultades de deteccioacuten de fallas homopolares hacen que sean necesarias corrientes de falla en la fases de valor elevado entonces la puesta a tierra del sistema nuevamente se hace riacutegida

A modo de resumen puede decirse lo siguiente

La conexioacuten a tierra soacutelida

- Reduce las sobretensiones transitorias y temporarias

- Protege de sobretensiones impulsivas

- Permite faacutecil selectividad frente a fallas a tierra

- Permite seguridad de servicio

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

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Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

17

- La magnitud de la corriente de falla es elevada

La conexioacuten a tierra con impedancia y al liacutemite el sistema con neutro aislado

- Dificulta la ubicacioacuten de la falla

- Las maniobras generan elevadas sobretensiones en particular cuando hay fallas monofaacutesicas

97 - INFLUENCIA EN LAS CORRIENTES Y EN LAS TENSIONES DE FALLA

En un sistema con el neutro a tierra a traveacutes de una impedancia y con capacitancias despreciables se tienen los siguientes valores de corriente de falla monofaacutesica y trifaacutesica

If1 = 3 E (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG)

If3 = E Z1

Relacionando ambos valores

If1 If3 = 1 (13 + Z2 (3 Z1) + Z0 (3 Z1) + ZG Z1)

En general puede aceptarse que las impedancias de secuencia directa e inversa son iguales

Z1 = Z2

En consecuencia

If1 If3 = 1 (23 + (Z0 + 3 ZG) (3 Z1))

La corriente de falla monofaacutesica seraacute igual a la trifaacutesica si se cumple

Z1 = Z0 + 3 ZG

En muchos casos la impedancia de secuencia cero es menor que la directa por ejemplo para un transformador Dy con el neutro del lado de baja tensioacuten conectado riacutegidamente a tierra y con elevada impedancia de la red del lado de alimentacioacuten en estos casos la corriente de falla monofaacutesica puede ser superior a la trifaacutesica

Cuando la falla se produce a cierta distancia del transformador se debe tener en cuenta la impedancia de secuencia cero del cable que puede resultar de importancia entonces la reduccioacuten de la corriente de falla monofaacutesica respecto de la trifaacutesica seraacute tambieacuten importante

Las tensiones de secuencia directa inversa y cero durante la falla son

U1 = E - I1 Z1

U2 = - I2 Z2

U0 = - I0 (Z0 + 3 ZG)

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La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

18

La tensioacuten que se presenta en el neutro durante la falla es la homopolar y si la relacionamos con la tensioacuten que se presenta en la red cuando no hay falla resulta

U0 E = (Z0 + 3 ZG) (Z1 + Z2 + Z0 + 3 ZG) = 1 (1 + 2 Z1 (Z0 + 3 ZG))

La corriente de falla monofaacutesica y la tensioacuten del neutro son una funcioacuten de

(Z0 + 3 ZG) Z1

Para determinar el factor de falla a tierra se debe conocer los valores de la tensioacuten en las fases sanas

UR = U0 + U1 + U2 = 0

US = U0 + alfa^2 U1 + alfa U2

UT = U0 + alfa U1 + alfa^2 U2

El mayor valor de tensioacuten resulta entre US y UT

U = -raiacutez(3) 2 E (raiacutez(3) Z0 - j (Z0 + 2 Z2)) (Z0 + Z1 + Z2)

Teniendo en cuenta que

R1 ltlt X1 R2 ltlt X2 R1 = R2 = 0 X2 = X2

Resulta determinado el factor de falla a tierra

K = U E = f (R0 X1 X0 X1)

Si la impedancia de puesta a tierra es de valor elevado y las capacitancias ya no son despreciables entonces el circuito equivalente es maacutes complicado

En los circuitos equivalentes aparecen las impedancias serie y las admitancias derivacioacuten

Puede suponerse que las impedancias serie son nulas y en este caso la corriente de falla resulta limitada por la impedancia de secuencia cero

Cuando las impedancias serie no pueden despreciarse se puede alcanzar la condicioacuten de resonancia

0 = Z1 + Z2 + Z0 = X1 + X2 + X0

X0 = - 2 X1

En esta situacioacuten tanto la corriente de falla monofaacutesica como la tensioacuten homopolar pueden alcanzar valores muy elevados que dependen de la resistencia que en principio se ha despreciado

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98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

19

98 - INFLUENCIA DE LAS TERCERAS ARMOacuteNICAS

La caracteriacutestica de saturacioacuten de los nuacutecleos de los transformadores hace que si el flujo es sinusoidal la corriente no lo sea y en particular tendraacute un contenido de tercera armoacutenica

Si se inyecta una corriente sinusoidal entonces la tercera armoacutenica apareceraacute en el flujo y en la tensioacuten

En general se tendraacute tercera armoacutenica tanto en las tensiones como en las corrientes

En los transformadores trifaacutesicos seguacuten como esteacute conectado el arrollamiento la tercera armoacutenica puede existir o es forzada a desaparecer en particular en un arrollamiento D la corriente de tercera armoacutenica puede circular y no aparece en las corrientes de liacutenea en un arrollamiento en Y con el neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es forzada a anularse si el neutro se conecta al neutro de la alimentacioacuten en cambio la tercera armoacutenica se presentaraacute en las corrientes de liacutenea

De lo dicho se desprende que influyen en la presencia de las terceras armoacutenicas la conexioacuten a tierra de la fuente y de los distintos arrollamientos y la conexioacuten de los arrollamientos (YD)

En un transformador Yy alimentado con una fuente con neutro aislado y con o sin conexiones a tierra en el transformador o con fuente con neutro a tierra pero con el arrollamiento Y con neutro aislado la tercera armoacutenica de corriente es suprimida y entonces aparece una tercera armoacutenica en las tensiones a tierra

Si la fuente estaacute a tierra y el arrollamiento Y tambieacuten entonces la componente de tercera armoacutenica de la corriente puede circular libremente la presencia de tercera armoacutenica en la liacutenea produce interferencia en los circuitos telefoacutenicos

Si el arrollamiento en y lado carga se encuentra conectado a tierra y si la capacitancia a tierra del circuito conectado es grande puede circular una tercera armoacutenica apreciable en los arrollamientos esto disminuye la magnitud de las terceras armoacutenicas de la tensioacuten pero puede causar interferencia en los circuitos telefoacutenicos paralelos a las liacuteneas del lado carga

El efecto es similar si hay cargas en general cualesquiera conectadas a tierra (o al neutro)

Si se produce resonancia por la capacitancia a tierra entonces pueden aparecer elevadas armoacutenicas de tensioacuten

En un transformador Yd o Dy el arrollamiento en triaacutengulo ofrece camino para la tercera armoacutenica de corriente que entonces no aparece en la liacutenea y se elimina o reduce sensiblemente la tercera armoacutenica de la tensioacuten mientras haya a lo sumo un solo neutro a tierra (fuente o arrollamiento Y)

Si el arrollamiento Y tiene neutro a tierra y la fuente tambieacuten entonces se presenta la tercera armoacutenica en la corriente pero el arrollamiento d la reduce sensiblemente

En consecuencia hay una muy pequentildea tercera armoacutenica de corriente y una muy pequentildea tercera armoacutenica en las tensiones

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

20

Con un transformador Dy con neutro a tierra en el lado de carga se puede presentar tercera armoacutenica de corriente si las cargas estaacuten conectadas a tierra (o al neutro) en consecuencia se puede tener alguna interferencia telefoacutenica

TEORIA Y DISENtildeO DE SISTEMAS DE TIERRAS SEGUN LAS NORMAS NOM E IEEE

8 Materiales de Puesta a Tierra

Indice

81 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA

Es muy importante tomar en cuenta que por norma [13] 250-26c los electrodos de puesta a tierra de los sistemas eleacutectricos deben estar accesibles y preferiblemente en la misma zona del puente de

unioacuten principal del sistema

De acuerdo con la norma oficial mexicana [13] 250-81 el sistema de electrodos de puesta a tierra se forma interconectando los

siguientes tipos de electrodos (siempre que existan)

Tuberiacutea metaacutelica de agua enterrada

Estructura metaacutelica del inmueble

Electrodo empotrado en concreto

Anillo de tierra

En caso de no disponer de alguno de los anteriores se deben usar uno o mas de los

electrodos especialmente construiacutedos

Electrodos de varilla o tuberiacutea

Electrodos de Placa

Otras estructuras o sistemas metaacutelicos subterraacuteneos cercanos

Los tipos de electrodos no permitidos por la norma oficial mexicana son

1 Tuberiacuteas de gas enterradas Porque en los EU las compantildeiacuteas

suministradoras de este fluido se opusieron a ello

2 Electrodos de aluminio Aunque en Europa se han utilizado los comiteacutes del NEC [14] se opusieron a incluirlos porque el aluminio es

un material que se corroe con mayor facilidad que el cobre y los compuestos quiacutemicos que se le forman no son buenos conductores eleacutectricos

Es importante hacer notar que en lugares donde existe

congelamiento de la superficie la profundidad de enterramiento es

21

mayor a la que se menciona en los paacuterrafos siguientes o en los

caacutelculos debe considerarse como aislada la parte del sistema de tierras que puede estar en contacto con la tierra congelada

En los siguientes puntos se explica cada uno de esos tipos de

electrodos

811 TUBERIA METALICA DE AGUA ENTERRADA

Para que una tuberiacutea de agua pueda usarse como electrodo de puesta a tierra debe reunir los siguientes requisitos

a) Por lo menos tener 3 m en contacto directo con la tierra

b) Eleacutectricamente continua hasta el punto de conexioacuten puenteando

el medidor del agua si estaacute colocado en una posicioacuten intermedia

La uacutenica desventaja de su uso es que debe complementarse con un electrodo adicional de cualquiera de los tipos mencionados arriba

Por otro lado la American Water Works Association [85] estaacute propugnando por eliminar las tuberiacuteas de agua como electrodos

principales debido a que con el uso cada vez mayor de equipos electroacutenicos la corriente de fuga a tierra es en parte corriente

continua lo que provoca corrosioacuten galvaacutenica en las tuberiacuteas

No confundir este tipo de electrodo con el requerimiento casi siempre olvidado del artiacuteculo de la norma oficial mexicana

[13]250-80a de conectar los sistemas interiores de tuberiacuteas para agua al puente de unioacuten principal o a los electrodos de puesta a tierra de acuerdo con la tabla 250-94 de la misma norma con el fin

de igualar potenciales en caso de una falla

812 ESTRUCTURA METALICA DEL EDIFICIO

La estructura metaacutelica de los edificios puede ser usada siempre que

esteacute bien puesta a tierra esto es que su impedancia a tierra sea baja

Para que sea baja la impedancia se deben unir las columnas a las

partes metaacutelicas de la cimentacioacuten con conductores seguacuten los calibres de los conductores de puesta a tierra de la norma [13]250-94 y en caso de haber sellos formados por peliacuteculas plaacutesticas se

deben puentear eacutestos

813 ELECTRODOS DE CONCRETO ARMADO O UFER

Los electrodos Ufer se llaman de esa manera en memoria de un

ingeniero de nombre Herb Ufer quien estuvo a cargo de los

22

laboratorios de los aseguradores (UL) en Los Angeles de 1927 a

1953 Aparentemente el estuvo encargado de las pruebas de electrodos de puesta a tierra para arsenales en Arizona en 1942

Claramente la tierra arenosa es el peor terreno para obtener una resistencia baja Pero los electrodos de concreto armado que el midioacute tuvieron una resistencia a tierra de 5 ohms o menos En los

sesentas varios sitios en el oeste americano fueron probados con electrodos Ufer obtenieacutendose tan buenos resultados que el NEC

1968 reconocioacute este tipo de electrodos

Consisten en utilizar en las estructuras nuevas el acero del concreto armado como electrodo principal siempre y cuando la cimentacioacuten

haya sido disentildeada para este fin con los cables de tierra adecuados soldados a las varillas

La NOM [13] 250-81c dice que debe de constar de por lo menos de 6 metros de una o maacutes varillas de acero desnudo o galvanizado o

revestido de cualquier otro recubrimiento eleacutectricamente conductor de no menos de 13 mm de diaacutemetro localizado en y cerca del fondo

de un cimiento o zapata empotrado al menos 50 mm en el concreto

El concreto tiene una estructura quiacutemica ligeramente alcalina e

higroscoacutepica La combinacioacuten de estas caracteriacutesticas provee iones libres que permiten al concreto exhibir una resistividad consistentemente de unos 30 ohm-m Los electrodos de concreto

tienen una resistencia a tierra menor o igual que las varillas de cobre de un tamantildeo comparable siempre que esteacuten en contacto con suelos

con resistividad de 50 ohm-m o menor [82]

Algunas pruebas indican que la resistencia tiacutepica a tierra de una base para columna de anclaje medida en los pernos es de alrededor de 50 ohms sin usar meacutetodos especiales De ahiacute que la resistencia efectiva

de un edificio de estructura metaacutelica con veintitantas columnas en paralelo es de menos de 5 ohms siempre y cuando se asegure que

la estructura esteacute conectada a las varillas Para ello se suelda por meacutetodos de fusioacuten un cable de acero a las varillas mismo que se conectaraacute a su respectiva columna

En los lugares donde es posible que caigan descargas atmosfeacutericas en el sistema de tierras con electrodos de concreto eacutestos deben complementarse con electrodos de otro tipo para que las grandes

corrientes debidas a esas descargas no causen ninguacuten dantildeo por fractura al evaporar muy raacutepidamente el agua presente en el

concreto

814 ANILLO DE TIERRA

Un anillo de tierra consiste en un conductor de cobre desnudo de

seccioacuten transversal no menor al calibre 2 AWG (por resistencia mecaacutenica) y de longitud no menor a 6 m enterrado a una

23

profundidad de 800 mm y que rodee al edificio o estructura

Estos anillos de tierras se emplean frecuentemente circundando una

faacutebrica o un sitio de comunicaciones para proveer un plano equipotencial alrededor de edificios y equipos

82 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA ESPECIALMENTE CONSTRUIDOS

Cuando no se dispone de alguno de los electrodos mencionados en el

punto anterior la norma oficial mexicana [13]250-83 dispone que se puedan usar uno o mas de los electrodos siguientes

a) De Varilla o Tuberiacutea

b) Electrodos de Placa

c) Estructuras metaacutelicas Subterraacuteneas

821 ELECTRODOS DE VARILLA O TUBERIA

De acuerdo con la NOM [13]250-83c los electrodos de varilla y tubo no deben tener menos de 240 m de largo y deben instalarse de tal modo que por lo menos 240 m de su longitud esteacute en

contacto con la tierra

Las varillas de metales no ferrosos deben estar aprobadas y tener un diaacutemetro no inferior a 13 mm de diaacutemetro y las demaacutes de por lo

menos 16 mm Las tuberiacuteas deben tener un diaacutemetro no inferior a 19 mm y si son de hiero deben tener una proteccioacuten contra corrosioacuten en su superficie

Las varillas de acero con un recubrimiento de cobre de 10 mileacutesimas

dura un promedio de 35 antildeos en un suelo promedio si tiene un recubrimiento de 13 mileacutesimas dura hasta 45 antildeos En cambio una

varilla de acero galvanizado tiene una vida estimada de 15 antildeos

Estos electrodos se aplican al suelo mediante percusioacuten hasta que alcanzan la profundidad adecuada En caso de terrenos rocosos o de

tepetate las varillas no pueden meterse de esa manera se doblan o solamente no pueden entrar Ocasionalmente se ha sabido de casos donde las varillas han sido regresadas hacia la superficie despueacutes de

haber tratado de clavarlas en terrenos rocosos

Cuando la roca estaacute a menos de 240 m estos electrodos pueden meterse en diagonal hasta con un aacutengulo de 45 grados de la vertical

Pero si no es este el caso se deben enterrar horizontales en una trinchera abierta para el caso a 800 mm de profundidad por lo menos

24

La alternativa al golpeado es perforar un agujero instalar la varilla y

rellenar nuevamente el agujero aunque no se obtiene la compactacioacuten ni la baja resistencia de contacto de la varilla percutida

La resistencia de contacto de una varilla estaacute dada por la foacutermula de

Dwight [83] del MIT

donde p es la resistividad del terreno en ohm - m

L es el largo de la varilla en m r es el radio de la varilla en m

La foacutermula de Dwight para el caso de varilla enterrada en doble capa

de tierra

donde p0 es la resistividad del terreno adjunto en ohm - m p1 es la resistividad del terreno circundante en ohm - m

L es el largo de la varilla en m a0 es el diaacutemetro de la varilla en m

a1 es el diaacutemetro del terreno adjunto a la varilla en m

En la tabla 1011 se muestra la resistencia a tierra (teoacuterica) de otras

25

configuraciones de electrodos

822 ELECTRODOS DE PLACA

Los electrodos de placa no deberaacuten tener menos de 02 metros cuadrados de superficie en contacto con el suelo Y las placas de

acero o fierro deberaacuten tener por lo menos 64 mm de espesor Si son de material no ferroso deberaacuten tener por lo menos 152 mm de

espesor 823 ESTRUCTURAS METALICAS ENTERRADAS

La NOM menciona la puesta a tierra mediante sistemas de tuberiacuteas o

tanques enterrados Pero puede ser cualquier clase de estructura metaacutelica subterraacutenea

824 ADEME DE POZOS

Las normas americanas MIL-STD-1542B MIL-HDBK-419 y MIL-STD-

188-124 no recomiendan el uso de los ademes de pozos para lograr una baja impedancia a tierra

Las normas mencionadas hacen eacutenfasis en que los ademes presentan

muy baja resistencia a tierra en cd pero no reducen la impedancia en corriente alterna y mencionan que si los ademes metaacutelicos son

utilizados como parte del sistema de tierras no deben ser los uacutenicos elementos en contacto con el suelo

83 ELECTRODOS PARA PUESTA A TIERRA EN RADIO

FRECUENCIA (NO EN NOM)

En el caso de torres de radiodifusioacuten se emplean cables en configuracioacuten de estrella (radiales) para su puesta a tierra Y se ha

encontrado maacutes efectivo tener conectados los cables en un punto que tener muacuteltiples anillos rodeando el sitio

Esos cables radiales llamados contra-antenas pueden ser menores a

30 m de largo si el suelo es adecuado

Los cables dispersan la energiacutea de las descargas muy eficientemente Como la corriente se divide en proporciones iguales en los cables radiales entre maacutes cables menor corriente los circula Y una baja

corriente es maacutes faacutecil de disipar y tendraacute menor impacto en la elevacioacuten del potencial de tierra del sistema

En la tabla 1011 se describe la resistencia a tierra (teoacuterica) de estos

electrodos en sus distintas configuraciones Como se observa en ese documento maacutes de cuatro brazos no son recomendables

26

85 MALLAS

La norma oficial mexicana de instalaciones eleacutectricas requiere de un sistema enmallado de tierra con muacuteltiples electrodos y conductores enterrados cuando estaacuten involucradas tensiones y corrientes

eleacutectricas muy altas con el fin de minimizar los riesgos al personal en funcioacuten de la tensioacuten eleacutectrica de paso y de contacto [13][921-

18]

La malla consta de una red de conductores enterrados a una profundidad que usualmente variacutea de 030 a 10 m colocados paralela y perpendicularmente con un espaciamiento adecuado a la

resistividad del terreno y preferentemente formando retiacuteculas cuadradas

El cable que forma el periacutemetro exterior de la malla debe ser

continuo de manera que encierre toda el aacuterea en que se encuentra el equipo eleacutectrico de la subestacioacuten o planta generadora Con ello se

evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el aacuterea y terminales cercanas [13][921-25)

En cada cruce de conductores de la malla eacutestos deben conectarse riacutegidamente con soldadura exoteacutermica entre siacute y en los puntos donde

se conectan los equipos que pudieran presentar falla o en las esquinas de la malla los conductores deben conectarse a electrodos

de varilla o tubo de 24 m de longitud miacutenima clavados verticalmente

Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo

largo de las hileras de estructuras o equipo para facilitar la conexioacuten a los mismos ya que es una praacutectica comuacuten de ingenieriacutea aterrizar a dos cables diferentes todos los equipos

En 1022 Caacutelculo de la malla requerida para subestacioacuten de potencia

cumpliendo con el voltaje de paso y de contacto (IEEE Std 80) se encuentra el caacutelculo del calibre miacutenimo del conductor de la malla

para resistir las corrientes de falla Es importante notar que en Europa se emplea el estaacutendar alemaacuten DIN 57141 que da resultados equivalentes de calibres miacutenimos

Los conectores empleados en la malla del sistema de tierras de una subestacioacuten deben ser de tipo de compresioacuten o soldables

27

Los cables empleados en las mallas de tierra son de acero acero

inoxidable acero galvanizado y cobre Para evitar la corrosioacuten galvaacutenica en terrenos de baja resistividad algunas compantildeiacuteas eleacutectricas desde el disentildeo utilizan en sus mallas de tierras cable de

cobre estantildeado para bajar el potencial electronegativo entre los diferentes metales

El factor principal en la seleccioacuten del material es la resistencia a la corrosioacuten El cobre es el material maacutes utilizado porque es econoacutemico tiene buena conductividad es resistente a la corrosioacuten y tiene un

punto elevado de fusioacuten (1083 C)

86 MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA A TIERRA

La NOM (250-84) permite para los sistemas con un electrodo uacutenico que conste de una varilla tuberiacutea o placa que no tiene una

resistencia a tierra de 25 ohms o menos que se complemente con electrodos adicionales de los tipos mencionados en 81 separados

por lo menos una distancia de 183 m entre siacute

En la praacutectica cuando la resistencia del electrodo uacutenico mencionado excede del valor buscado esa resistencia se puede reducir de las siguientes maneras

a) Usando una varilla de mayor diaacutemetro b) Usando varillas maacutes largas c) Poniendo dos tres o maacutes varillas en paralelo

d) Tratando quiacutemicamente el terreno

a) VARILLAS DE MAYOR DIAMETRO

28

Usando varillas de 19 mm en lugar de varillas de 13 mm se logra una reduccioacuten en la resistencia a tierra de hasta un 10 maacuteximo Muy

poco en realidad

b) VARILLAS MAS LARGAS

Para los casos donde las capas superiores de la tierra son de arena y donde a gran profundidad se encuentra una capa de terreno huacutemedo

existen varillas que se acoplan unas a otras para lograr longitudes hasta de 15 m

Por lo general doblando el largo se obtiene una reduccioacuten del 40 de resistencia a tierra Otra ventaja es que con el uso de varillas largas se controla el gradiente de potencial en la superficie

Los electrodos de puesta a tierra de las subestaciones en cd son

29

mucho maacutes largos que los normalmente utilizados en corriente

alterna En la estacioacuten rectificadora de Rice Flats de la Bonneville Power Authority se utilizan electrodos de 60 metros de largo para

evitar el fenoacutemeno de electrosmosis manteniendo una densidad baja de corriente en toda la superficie del electrodo

c) VARILLAS EN PARALELO (ELECTRODOS MUacuteLTIPLES)

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistividad Pero las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra [11] porque cada varilla afecta la

impedancia del circuito por los efectos mutuos

La NOM [13] 250-83 dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo no debe ser menos de 18 m aunque se

recomienda que esteacuten separadas maacutes del largo de cualquiera de ellas Por ejemplo dos varillas en paralelo a 3 metros de distancia ofrecen

una resistencia del 60 de la resistencia a tierra de una sola de ellas Pero incrementando ese espaciamiento a 6 m la reduccioacuten de

la resistencia es del 50

Cuando se utilizan muacuteltiples electrodos la impedancia es mayor y

29

mucho maacutes largos que los normalmente utilizados en corriente

alterna En la estacioacuten rectificadora de Rice Flats de la Bonneville Power Authority se utilizan electrodos de 60 metros de largo para

evitar el fenoacutemeno de electrosmosis manteniendo una densidad baja de corriente en toda la superficie del electrodo

c) VARILLAS EN PARALELO (ELECTRODOS MUacuteLTIPLES)

El colocar varias varillas en paralelo es una manera muy efectiva de bajar la resistividad Pero las varillas de tierra no deben ser colocadas muy cerca una de otra [11] porque cada varilla afecta la

impedancia del circuito por los efectos mutuos

La NOM [13] 250-83 dice que la distancia entre ellas o de cualquier electrodo no debe ser menos de 18 m aunque se

recomienda que esteacuten separadas maacutes del largo de cualquiera de ellas Por ejemplo dos varillas en paralelo a 3 metros de distancia ofrecen

una resistencia del 60 de la resistencia a tierra de una sola de ellas Pero incrementando ese espaciamiento a 6 m la reduccioacuten de

la resistencia es del 50

Cuando se utilizan muacuteltiples electrodos la impedancia es mayor y

30

cada electrodo adicional no contribuye con una reduccioacuten

proporcional en la resistencia del circuito Por ejemplo dos varillas reducen la resistencia al 58 de una sola mientras que 10 varillas

apenas reducen ese valor al 10

La resistencia neta para n varillas Rn esta determinada por la resistencia de una sola varilla R Este es un valor aproximado que

considera que las varillas estaacuten espaciadas por una distancia igual al diaacutemetro del cilindro protector

Y representa el decaimiento de la capacitancia asociada con la propagacioacuten en la tierra

Es de observar que muchas varillas cortas tienden a ser maacutes

efectivas que unas cuantas largas Esto puede ser verificado al unir las ecuaciones de las resistencias individuales y las de grupo Considere como ejemplo de eacutesto un terreno de resistividad de 1000

ohm-m Una varilla de 25 cm da una resistencia a tierra de 300 ohm Dos varillas de 125 cm dan una resistencia de 210 ohm Esto es 23

de la resistencia Obviamente que esto supone que el terreno superficial es razonablemente conductor

En la tabla 1011 se muestra la resistencia a tierra (teoacuterica) de diversas configuraciones de electrodos

87 MEJORAMIENTO DEL TERRENO

Cuando un sistema eleacutectrico se expande la que se creiacutea era una baja resistencia a tierra se hace mala Asimismo con el uso cada vez mayor de tuberiacuteas no metaacutelicas y la caiacuteda en el nivel de aguas

freaacuteticas en muchos lados ha resultado en mayores resistencias a tierra que las de disentildeo

Cuando la resistencia a tierra no es lo suficientemente baja hay

algunos meacutetodos para bajarla

En el punto 86 anterior hemos visto que el utilizar varillas maacutes largas y el uso de muchas varillas en paralelo baja la resistencia a

tierra pero cuando lo anterior ya no es posible se tiene que mejorar el terreno mismo mediante productos quiacutemicos Pero tiene el inconveniente de ser una solucioacuten costosa y que bajo ciertas

circunstancias se requiere de mantenimiento

El problema de lograr una resistencia baja en la roca asiacute como en otros suelos de alta resistividad estaacute asociada con el material en

contacto con el electrodo y la compactacioacuten que eacuteste recibe al rellenar el agujero

31

El relleno ideal debe compactarse faacutecilmente ser no corrosivo y a la

vez buen conductor eleacutectrico La bentonita entre otros compuestos como el sulfato de magnesio o de sulfato de cobre o de compuestos

quiacutemicos patentados (El peruano THOR GEL el GEM de Erico el GAP de Alta Conductividad 2000 SA etc) cumple con esos requisitos

La bentonita es una arcilla consistente en el mineral montmorillonita

un silicato de aluminio y tiene la particularidad de absorber hasta cinco veces su peso de agua y de hincharse hasta 13 veces su volumen seco [91] Y tiene una resistividad de 25 ohm-m con

humedad del 300

Aparte del relleno con alguno de los compuestos mencionados existen otros meacutetodos quiacutemicos maacutes En el primero en un registro

junto a la varilla se colocan unos 30 cm de los compuestos Ver dibujo

Este meacutetodo es efectivo donde hay poco espacio como en banquetas

o estacionamientos pero es faacutecilmente demostrable que la resistencia a tierra obtenida puede ser faacutecilmente obtenida de una manera maacutes econoacutemica con electrodos muacuteltiples

El otro meacutetodo es excavar una zanja alrededor de la varilla y llenarla

con unos 20 o 40 kg de los compuestos quiacutemicos mencionados arriba diluyendo con agua

32

La primera carga dura unos 2 o 3 antildeos y las posteriores auacuten maacutes

por lo que el mantenimiento es menos frecuente con el tiempo

Por uacuteltimo se puede utilizar uno de los cementos puzolaacutenicos grafiacuteticos conductores (EarthLink 101 etc) de la siguiente manera

se cubre el cable del electrodo [40 AWG] colocado horizontalmente en una zanja de unos 75 cm de profundidad con una capa de

cemento seco de unos 5 cm de grueso y 50 cm de ancho Con el tiempo el cemento toma la humedad del suelo y endurece Este meacutetodo desarrollado en Japoacuten en los 70s tiene la ventaja que no

requiere mantenimiento es antirobo y por el tipo de material no se corroen los cables con el tiempo Y se adapta perfectamente a los

lugares donde la capa superficial es poco profunda y de alta resistividad

El perforar y usar explosivos para hacer grietas en suelos rocosos como se utiliza para cimentar las torres de liacuteneas de transmisioacuten se

ha utilizado en China para mejorar la resistividad de un terreno de alta resistividad utilizando un material de baja resistividad para

rellenar las grietas [86]

Como resultado del mejoramiento del terreno se observa en las mediciones que la variacioacuten estacional de la resistencia de un

electrodo es mucho menor a la que pudiera obtenerse en un terreno natural no mejorado

88 CONECTORES

Los conectores de conductores de puesta a tierra con los electrodos

33

pueden ser del tipo de soldadura exoteacutermica conectores a presioacuten

abrazaderas u otros medios aprobados [13]250-115 Y no deben tener soldaduras con materiales de puntos de baja fusioacuten (estantildeo

plomo etc) para evitar falsos contactos ya que pierde caracteriacutesticas de seguridad la malla si se llegara a abrir

En nuestro paiacutes se prefieren las conexiones exoteacutermicas [De

marcas Cadweld Thermoweld o Mexweld] para redes de tierras de subestaciones de alta potencia

Para fabricar una conexioacuten exoteacutermica no es necesaria una fuente de energiacutea externa Al encender una chispa sobre el polvo ignitor se

inicia una reaccioacuten quiacutemica donde el oacutexido de cobre es reducido por el metal aluminio produciendo cobre fundido a unos 1400 C y escoria

de aluminio Este cobre fluye sobre los conductores soldaacutendolos en la forma del molde de grafito obteniendo una unioacuten metaacutelica soacutelida en unos 20 segundos

Es importante notar que una buena unioacuten depende del ajuste del molde a los conductores

Las abrazaderas a usarse en sistemas de puesta a tierra deben ser adecuadas para el nuacutemero y tipo de conductores Ademaacutes deben de

ser compatibles con los materiales de los conductores y los

34

electrodos de puesta a tierra y cuando se usen enterradas deben

ser del tipo apropiado [13]250-115 Estos conectores apropiados tienen marcada la leyenda BURIED

89 REGISTROS

La seccioacuten [13]250-117 dice textualmente que las abrazaderas u otros accesorios para puesta a tierra deben estar aprobados para su

uso general sin proteccioacuten o protegerse contra dantildeo fiacutesicocon una cubierta protectora y la Seccioacuten 250-112 menciona que la

conexioacuten debe ser accesible siempre que no esteacute en un electrodo hundido empotrado o enterrado

Pero en el caso de las subestaciones la misma norma especifica que

deben hacerse mediciones perioacutedicas en los registros para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de disentildeo Por ello se recomienda dejar registros en los electrodos de

varilla

Cuando se coloquen registros se recomienda que sean al menos de 150 mm de diaacutemetro para hacer cualquier maniobra y que tengan

tapa

Aparte de los registros de faacutebrica

35

se pueden construir esos registros empleando un tubo de albantildeal

con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento

810 CONDUCTORES DEL ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA

El conductor del electrodo de puesta a tierra sin ninguacuten empalme (Exc empalmes irreversibles 250-81 Exc 1 puede llevarse a

cualquiera de los electrodos disponibles del sistema de puesta a tierra y es dimensionado seguacuten el mayor calibre requerido para todos los electrodos disponibles de acuerdo con la tabla 250-94 de la NOM

[13] Excepto en el caso de un uacutenico electrodo del tipo varilla o del tipo Ufer donde se permite que el conductor del electrodo no sea

mayor de calibre 6 en cobre 250-94 Exc a y b [13]

Este conductor si es de calibre 4 o mayor no requiere de proteccioacuten excepto en casos donde esteacute expuesto a dantildeo fiacutesico severo En caso de ser calibre 6 debe fijarse a la construccioacuten o debe correr por un

tubo conduit Y los calibres menores deben correr siempre por tuberiacuteas conduit En el caso de las tuberiacuteas conduit eacutestas deben ser

eleacutectricamente continuas esto es deben estar conectadas a tierra en ambos extremos Inclusive las que cubren el cable de puesta a

tierra de las acometidas residenciales

Estos cables no deben ser de aluminio o de cobre con aluminio porque se corroen cuando estaacuten en en contacto con la tierra o con el cemento Por ello la norma mexicana de Instalaciones eleacutectricas soacutelo

permite el uso de aluminio como conductor desde una altura miacutenima de 450 mm sobre el suelo [13][250-92a]

36

PROTECCION Y CONTROL

Las sales higroscoacutepicas como lo indica su nombre tienen la cualidad de conservar

una mayor cantidad de humedad en el volumen en que estaacuten contenidas Es algo anaacutelogo al efecto de una esponja Eso se

denomina higroscopiacutea En una buena construccioacuten de puesta a

tierra debe-mos evitar que el pozo contenga piedras o desperdi-

que para dos pozos con varillas estaacutendar de 240 metros se estima una

distancia de cinco metros MEDICIONES DE LA RESISTENCIA DE

UNA PUESTA A TIERRA Como estamos apreciando se trata

de obtener

cios aislantes tales como los plaacutesticos Igualmente debe

evitarse que existan derra-mes de aceite o

petroacuteleo porque degradan la conduc-tividad del terreno Si

bien la humedad es muy importan-te

existe el peligro del exce-so de agua Es necesario evitar que

haya una acequia o derrame de agua

porque estas corrientes arrastran los componentes

quiacutemicos de la PAT y tambieacuten em-

pobrecen la conductividad de la puesta a tierra

una baja resistencia o alta conductividad en el terreno que

rodea al elec-trodo que hemos instala-

do Para medir esta resis-tencia se utiliza un

instrumento denominado

TELUROacuteMETRO El meacutetodo maacutes difundido por su efi-

cacia y exactitud es el denominado

Meacutetodo del Potencial que emplea tres

electrodos Uno de los tres

electrodos es el correspondiente al pozo de puesta a

tierra

TELUROMETRO

MEDICION DEL

POZO DE TIERRA

La mayor o menor conductividad de un

sistema de puesta a tierra con respecto a otro implica que entre ambos se puede presentar una diferencia

de potencial y por ende un dantildeo en uno de los equipos de comunicaciones o

control Por eso se prefiere unir los sistemas de PAT cuando se ha interconectado dos sistemas de

comunicaciones de control u otra aplicacioacuten electroacutenica excepto en los

enlaces con fibra oacuteptica

(E o G) Los otros dos deben ser

clavados en el terreno Los manuales de los teluroacutemetros nos indican que las distancias razonables

son d y 2d la primera es para clavar el electrodo de potencial (P) y la segunda

para el electrodo de corriente (C) La longitud d es igual a dos veces la del electrodo de un pozo individual o a la

longitud de un arreglo lineal En el caso de un arreglo geomeacutetrico se apli-

ca una foacutermula que es funcioacuten del aacuterea

37

TOPOLOGIAS Y ARREGLOS DE

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

de la figura geomeacutetrica construida en

todos los casos se pue-de efectuar una sola medicioacuten o tomar muestras a

distancias escalonadas para hallar el valor prome-

Un sistema de PAT puede basarse en

un pozo o en varios unidos en este caso hablamos de una malla En la costa en la

mayoriacutea de puestos a tierra se construye faacutecilmente pozos verticales de dos a tres metros de profundidad

En las zonas altas (3000 a 4000 oacute maacutes metros) es habitual construir pozos

horizontales con menor profundidad pero mayor extensioacuten horizontal Estos uacuteltimos son realizados con

conductores flexibles yo con platinas de Cu en diferentes longitudes y arreglos

tienen la ventaja de no soacutelo dispensar corrientes indeseables sino tambieacuten de

controlar gradientes peligrosas en un sistema eleacutectrico

dio

En los lugares en que el piso estaacute cubierto de cemento o concreto

(patios soacutetanos etc) se sugiere construir puntos de medicioacuten tratando de hacerlos con los criterios del paacuterrafo

anterior y daacutendoseles un acabado que permita su utilizacioacuten en cualquier

momento Un teluroacutemetro comuacutenmente opera inyectando una corriente con

frecuencia de 500 Hz por el electrodo C y registrando la caiacuteda de tensioacuten o

potencial en el electrodo P Internamente en virtud de la Ley de

Ohm se halla la resistencia alrededor del electrodo de PAT (E)

Cuando se trata de obtener una baja

resistencia de puesta a tierra se disentildea una malla es decir un arreglo de dos o

maacutes pozos

MANTENIMIENTO

Cuando son tres o maacutes pozos el arreglo

maacutes conveniente para un maacuteximo aprovechamiento es una figura

geomeacutetrica (triaacutengulos cuadrados etc) si no existe esa posibilidad por limitaciones del terreno el arreglo de la

malla se hace simplemente lineal La distancia entre los pozos verticales

enmallados debe ser el doble de la longitud del electrodo es asiacute

Es necesario hacer una especie de ldquohistoria teacutecnicardquo del sistema de

puesta a tierra basada en datos de su construccioacuten asiacute como de mediciones

perioacutedicas Seguacuten la geografiacutea y el terreno especiacutefico se debe implementar un

plan de mantenimiento Puede ser requerida una irrigacioacuten o la adicioacuten

perioacutedica de sales electroliacuteticas yo higroscoacutepicas Tambieacuten se

debe medir la continuidad entre la puesta a tierra y los puntos importantes

que se estaacuten protegiendo porque puede haberse producido una desconexioacuten

accidental o una ampliacioacuten no supervisada de la red Cabe reiterar que cada caso tiene

singularidades que deben tenerse en

de sentildealeslos meacutetodos y equipos de medicioacuten de la resistividad de los

terrenos las puestas a tierra de aacuterea extensa o de gran profundidad

Como nota final estando auacuten reciente la fecha internacional del trabajo vale un

reconocimiento a todos los trabajadores

38

cuenta Como habraacute podido apreciar el

lector este tema tiene una gran amplitud y merece otras contribuciones

que enfati-cen por ejemplo sobre el tratamiento del riesgo eleacutectrico los pararrayos la tierra como referencia

anoacutenimos que desde el antildeo 1996 han

hecho posible no soacutelo la construccioacuten del extenso sistema de proteccioacuten de tierra

sino de toda la Red de Campus de la UNI y tambieacuten de otras instituciones

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TOPOLOGIAS Y ARREGLOS DE

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

de la figura geomeacutetrica construida en

todos los casos se pue-de efectuar una sola medicioacuten o tomar muestras a

distancias escalonadas para hallar el valor prome-

Un sistema de PAT puede basarse en

un pozo o en varios unidos en este caso hablamos de una malla En la costa en la

mayoriacutea de puestos a tierra se construye faacutecilmente pozos verticales de dos a tres metros de profundidad

En las zonas altas (3000 a 4000 oacute maacutes metros) es habitual construir pozos

horizontales con menor profundidad pero mayor extensioacuten horizontal Estos uacuteltimos son realizados con

conductores flexibles yo con platinas de Cu en diferentes longitudes y arreglos

tienen la ventaja de no soacutelo dispensar corrientes indeseables sino tambieacuten de

controlar gradientes peligrosas en un sistema eleacutectrico

dio

En los lugares en que el piso estaacute cubierto de cemento o concreto

(patios soacutetanos etc) se sugiere construir puntos de medicioacuten tratando de hacerlos con los criterios del paacuterrafo

anterior y daacutendoseles un acabado que permita su utilizacioacuten en cualquier

momento Un teluroacutemetro comuacutenmente opera inyectando una corriente con

frecuencia de 500 Hz por el electrodo C y registrando la caiacuteda de tensioacuten o

potencial en el electrodo P Internamente en virtud de la Ley de

Ohm se halla la resistencia alrededor del electrodo de PAT (E)

Cuando se trata de obtener una baja

resistencia de puesta a tierra se disentildea una malla es decir un arreglo de dos o

maacutes pozos

MANTENIMIENTO

Cuando son tres o maacutes pozos el arreglo

maacutes conveniente para un maacuteximo aprovechamiento es una figura

geomeacutetrica (triaacutengulos cuadrados etc) si no existe esa posibilidad por limitaciones del terreno el arreglo de la

malla se hace simplemente lineal La distancia entre los pozos verticales

enmallados debe ser el doble de la longitud del electrodo es asiacute

Es necesario hacer una especie de ldquohistoria teacutecnicardquo del sistema de

puesta a tierra basada en datos de su construccioacuten asiacute como de mediciones

perioacutedicas Seguacuten la geografiacutea y el terreno especiacutefico se debe implementar un

plan de mantenimiento Puede ser requerida una irrigacioacuten o la adicioacuten

perioacutedica de sales electroliacuteticas yo higroscoacutepicas Tambieacuten se

debe medir la continuidad entre la puesta a tierra y los puntos importantes

que se estaacuten protegiendo porque puede haberse producido una desconexioacuten

accidental o una ampliacioacuten no supervisada de la red Cabe reiterar que cada caso tiene

singularidades que deben tenerse en

de sentildealeslos meacutetodos y equipos de medicioacuten de la resistividad de los

terrenos las puestas a tierra de aacuterea extensa o de gran profundidad

Como nota final estando auacuten reciente la fecha internacional del trabajo vale un

reconocimiento a todos los trabajadores

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cuenta Como habraacute podido apreciar el

lector este tema tiene una gran amplitud y merece otras contribuciones

que enfati-cen por ejemplo sobre el tratamiento del riesgo eleacutectrico los pararrayos la tierra como referencia

anoacutenimos que desde el antildeo 1996 han

hecho posible no soacutelo la construccioacuten del extenso sistema de proteccioacuten de tierra

sino de toda la Red de Campus de la UNI y tambieacuten de otras instituciones

38

cuenta Como habraacute podido apreciar el

lector este tema tiene una gran amplitud y merece otras contribuciones

que enfati-cen por ejemplo sobre el tratamiento del riesgo eleacutectrico los pararrayos la tierra como referencia

anoacutenimos que desde el antildeo 1996 han

hecho posible no soacutelo la construccioacuten del extenso sistema de proteccioacuten de tierra

sino de toda la Red de Campus de la UNI y tambieacuten de otras instituciones