parte 1. spt
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SISTEMAS DE PUESTA A
TIERRA Verena Mercado Polo
Ing. Especialista
Universidad de Oriente
Postgrado en Ingeniería Eléctrica
Programa de Actualización Profesional
Contenido
Introducción
Objetivos de un Sistema de Protección Eficiente Contra Disturbios
Eléctricos.
Protecciones Eléctricas y Sistema de Puesta a Tierra
Definición de sistemas de Puesta a Tierra
Objetivos e importancia de los Sistemas de Puesta a Tierra
Efectos de la Electricidad en los Seres Humanos
Normas relacionadas con los Sistemas de Puesta a Tierra
Requerimientos de los Sistemas de Puesta a Tierra
Resistividad del Suelo (consideraciones y mediciones)
Tipos de Electrodos
Consideraciones en los Sistemas de Puesta a Tierra
Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra
Voltajes de Seguridad en los SPT
Mediciones de Resistencia de los SPT
Utilización del ETAP para el diseño de los SPT
Aplicaciones Practicas
Introducción
El desarrollo de grandes fuentes de energía para ejecutar
trabajos útiles ha sido la clave del desarrollo industrial y
parte primordial en la calidad de vida del hombre, en la
sociedad moderna.
Para llevar la energía eléctrica desde las fuentes hasta los
consumidores se requieren de sistemas de potencia. Las
cuales poseen asociadas unas series de fenómenos en
condiciones operativas normales y anormales.
Introducción
Un sistema de potencia es el conjunto de
elementos que constituyen la red eléctrica de
potencia, siendo su función: generar, transmitir,
distribuir la energía eléctrica hasta los usuarios,
bajo ciertas condiciones y requerimientos.
Introducción
Visualizar Conceptualizar Definir Implantar Operar
Generación
Transmisión
Transformación
Distribución
Seguridad
Protección
Normas
Seres
Humanos
Sistema Eléctrico de Potencia
Subsistema de Generación
Subsistema de Transmisión
• Subestaciones Elevadoras
• Líneas de Transmisión
• Subestaciones Reductoras
Subsistema de Distribución
• Red de Subtransmisión
• Subestaciones de Distribución
• Redes de Subtransmisión en Media Tensión
• Bancos de Trasformación
• Redes de Distribución en Baja Tensión
Objetivos de un Sistema de Protección
Eficiente
Protección y seguridad para la vida Protección y seguridad para la vida humana.
ProtecciónelectromecánicaProtección y seguridad en la operación electromecánica y electrónica.
AltainformáticaAlta eficiencia (automatización, robótica, informática.)
ContinuidadContinuidad de operación
Compatibilidad electromagnética (mínimos nivelesentre
Compatibilidad electromagnética (mínimos niveles de interferencia y contaminación entre equipos, aparatos).
Alta eficiencia eléctrica. (Disminución del factor de
pérdidas, minimizando las pérdidas de energía eléctrica,
lo cual se traduce en ahorro de energía).
Protecciones Eléctricas
La continuidad y calidad del servicio son los requisitos
íntimamente ligados al funcionamiento satisfactorio de un
Sistema Eléctrico de Potencia.
Cuando se produce una falla las magnitudes asociadas al
Sistema Eléctrico de Potencia alcanzan valores situados fuera
de sus rangos normales de funcionamiento y determinadas
áreas del sistema pueden pasar a operar en condiciones
desequilibradas, con el riesgo que ello conlleva para los
diferentes equipos, estructuras que lo integran y personas que
lo operan.
Tipos de perturbaciones en sistemas
eléctricos de potencia
Puestas a tierras Puestas a tierras intempestivas
Acción de Animales
Caída de Arboles u otros objetos sobre líneas
Destrucción mecánica de maquinas rotativas
Descargas Atmosféricas Descargas Atmosféricas
Exceso de carga conectada a una línea
Factores Humanos
Defecto en Aislamiento
¿ Qué es un Sistema de Puesta a Tierra?
Es un conjunto de conductores eléctricos
directamente enterrados en el suelo y
distribuidos a través de una instalación
expresamente diseñados para soportar
corrientes excepcionales en caso de
cortocircuito o descarga atmosférica.
¿ Qué es un Sistema de Puesta a Tierra?
Se define como la conexión eléctrica directa de
todas las partes metálicas y uno o varios electrodos
enterrados en el suelo, con objeto de que:
No existan diferencias de potencial peligrosas
Permita el paso a tierra de las corrientes de
defecto o la de descarga de origen atmosférico.
Objetivo de la Puesta a Tierra
El objetivo principal del sistema de Conexión a tierra es
el
Control de Corrientes indeseables
Corrientes de Falla, corrientes que generan las Descargas
electrostáticas, corrientes de ruido de alta frecuencia y
corrientes de fuga.
Objetivos de la Puesta a Tierra
Mantener una diferencia de voltaje muy baja entre las diferentes estructuras metálicas con lo que se busca resguardar al personal de cualquier choque eléctrico.
Contribuir a un mejor desempeño de los sistemas de protección.
Evitar incendios provocados por materiales volátiles o la combustión de gases y así eliminar los arcos y elevadas temperaturas en los equipos eléctricos.
Buen desempeño de equipos.
Mantener un potencial de referencia para la adecuada operación de instrumentos y equipos, Eliminación de ruidos.
¿Para qué se utiliza un Sistema de Puesta
a Tierra?
Conducción y dispersión de la corriente de rayo en tierraConducción y dispersión de la corriente de rayo en tierra
Conexión equipotencial entre los conductores bajantes del sistema de protección contra rayos
Conexión equipotencial entre los conductores bajantes del sistema de protección contra rayos
Conexión equipotencial funcionalConexión equipotencial funcional
Control del potencial en las subestaciones y en la cercanía de las edificacionesControl del potencial en las subestaciones y en la cercanía de las edificaciones
Posibilita la protección contra el contacto indirectoPosibilita la protección contra el contacto indirecto
Efectos de la Electricidad en los Seres
Humanos
La electricidad es un movimiento de campos
electromagnéticos que aún es invisible al ojo humano
pero que es sensible en los seres vivos al grado de que
puede causar daños severos, si por ellos circula una
cantidad determinada, ya sea de corriente directa, como
de corriente alterna.
Las causas que producen estos daños son:
a) Por contacto directo
b) Por voltajes en la tierra, debido a corrientes eléctricas
que circulan por la misma.
c) Por descargas atmosféricas
Principales Peligros de la
Electricidad
Los efectos que pueden producir los accidentes de origen
eléctrico dependen:
Intensidad de la corriente.
Resistencia eléctrica del cuerpo humano.
Tensión de la corriente.
Frecuencia y forma del accidente.
Tiempo de contacto.
Trayectoria de la corriente en el cuerpo.
Todo accidente eléctrico tiene origen en un defecto de
aislamiento y la persona se transforma en una vía de descarga a
tierra.
Efectos de la electricidad
en función de la intensidad de la corriente
Corriente
(mA) Efecto
1 Moderado temblor o sacudimiento de los
músculos
2-4 Temblor de los nervios en los dedos hasta el
antebrazo
5-7 Ligera convulsión o contracción
10-15 Sensación desagradable, pero todavía es
posible soltarse
19-22 Fuertes dolores en el brazo, ya no es posible
soltarse voluntariamente
±30 Manos paralizadas el dolor es insoportable
50 Inicio del paro del aparato respiratorio
100 Inicio de la fibrilación
>100 ¡Peligro de muerte!
Efectos de la electricidad
en función de la intensidad de la corriente
Efectos de la electricidad
en función del tiempo de contacto o circulación
No solamente la intensidad de corriente es la que provoca los efectos sino también el tiempo de contacto o circulación de la misma por el cuerpo.
10 mA durante 2 minutos
20 mA durante 1 minuto
30 mA durante 35 s
100 mA durante 3 s
500 mA durante 0.10 s
1 A durante 0.03 s
¿Qué sistemas deben ponerse a
tierra?
Sistema Eléctrico de Potencia
Equipos eléctricos y estructuras metálicas
Sistemas con señales electrónicas
Sistemas de protección atmosférica
¿Qué es necesario Saber?
Cada instalación eléctrica por lo general puede presentar
características particulares y deben ser consideradas en el momento
de diseñar la instalación.
Es importante conocer y aplicar las normas relacionadas con el
diseño de SPT.
En Venezuela se toman como referencia las normas IEEE (The
Institute of Electrical and Electronics Engineers), principalmente la
norma IEEE 80 –2000 “IEEE Guide for Safety in AC Substation
Grouding”.
Código Eléctrico Nacional
Normas particulares.
RESISTIVIDAD DEL SUELO
RESISTIVIDAD
El factor más importante de la resistencia a
tierra no es el electrodo en sí, sino la
resistividad del suelo mismo, por ello es
requisito conocerla para calcular y diseñar
la puesta a tierra de sistemas.
Resistividad
La resistividad del suelo es la propiedad que
tiene éste, para conducir electricidad, es
conocida además como la resistencia
específica del terreno.
En su medición, se promedian los efectos de
las diferentes capas que componen el terreno
bajo estudio, ya que éstos no suelen ser
uniformes en cuanto a su composición.
Resistividad
La conducción del terreno es fundamentalmente
electroquímica y depende principalmente de:
1. El volumen de los poros del material que compone el
terreno.
2. La dispersión y distribución de los poros.
3. La porción de los poros rellenos de agua.
4. La conductividad del agua que llenan los poros, la cual
se divide a en:
Conductividad primaria: La del agua que entra en los
poros.
Conductividad secundaria: La adquirida por disolución
del material y que depende del estancamiento.
Factores que determinan la
Resistividad
La naturaleza del terreno
La humedad
La temperatura
La salinidad
La granulometría
La estratigrafía
La compactación
Las variaciones estacionales y del medio ambiente
Los factores de naturaleza eléctrica
Los factores de naturaleza química
La resistividad del terreno varía ampliamente a lo largo y
ancho del globo terrestre, estando determinada por:
Naturaleza del terreno
Naturaleza del terreno Valor medio de la
resistividad (Ω.m)
Terrenos cultivables y fértiles,
terraplenes compactos y húmedos
50
Terraplenes cultivables poco
fértiles
500
Suelos pedregosos desnudos,
arenas secas permeables
3000
Variación de la resistividad en
función de la humedad
Variación de la resistividad en
función de la temperatura
Influencia de la salinidad sobre la
resistividad
La granulometría
Esta característica trata sobre la retención de
agua, la porosidad y la calidad de contacto de los
electrodos de puesta a tierra.
Tipo de
terreno Infiltración
Retención de
Agua Capilaridad
Altura del
terreno
Humus Rápida Óptima Normal Pequeña
Arena Normal Mucha Rápida Mediana
Creta Lenta Poca Lenta Mediana
Arcilla Lentísima Insignificante Lentísima Grande
Movimiento del agua en algunos materiales
La estratigrafía
Este término se refiere a los terrenos que están
formados en profundidad por capas de diferentes
agregados y por lo tanto de distintas resistividades.
Influencia de la Estratificación del Terreno
La estratigrafía
Resistencia según la estratigrafía y profundidad del suelo
La compactación
Variación de la Resistividad del Terreno en Función de la Compactación
Íntimamente ligado a la granulometría, la compactación
trata sobre los granos dispersos en el suelo y los espacios
intergranulares.
Las variaciones estacionales y del
medio ambiente
Variación de la resistividad a lo largo del año
Otros factores
Los factores de naturaleza eléctrica, pueden
modificar la resistividad de un terreno; los más
significativos son el gradiente de potencial y la
magnitud de la corriente de falla que va a tierra.
Otros factores
Los factores de naturaleza química, se
refiere a los cambios de resistividad por
factores como el efecto de las sales o ácidos y
el potencial de oxido – reducción presente.
Medición de Resistividad del suelo
Estimación de la resistencia de puesta a tierra de una
estructura o un sistema
Estimación de gradientes de potencial, incluyendo voltajes
de paso y toque
Cálculo del acoplamiento inductivo entre circuitos de
potencia y comunicaciones cercanos
Para el diseño de protección catódica.
La medición de la resistividad es útil para los siguientes
propósitos:
Medición de la Resistividad del
Suelo
La resistividad del terreno se mide
fundamentalmente para encontrar la profundidad
y grueso de la roca en estudios geofísicos,
Para encontrar los puntos óptimos para localizar
la red de tierras de una subestación, sistema
electrónico, planta generadora o transmisora de
radiofrecuencia.
También puede ser empleada para indicar el
grado de corrosión de tuberías subterráneas.
Medición de la Resistividad del
Suelo
El perfil de la resistividad del suelo determinará el
valor de la resistencia a tierra y la profundidad de
nuestro sistema de puesta a tierra.
Para medir la resistividad del suelo se requiere de un
telurómetro o Megger de tierras de cuatro terminales.
Los aparatos de mayor uso, de acuerdo a su principio
de operación, pueden ser de 2 tipos: del tipo de
compensación de equilibrio en cero y el de lectura
directa.
Método de Medición de la
Resistividad
Las mediciones para obtener la resistividad del terreno deben
hacerse, obligatoriamente, en el sitio en donde se instalará un
sistema de puesta a tierra.
La norma IEEE 80-2000 supone una resistividad uniforme en el
terreno. Esta suposición tiene varios problemas:
1. Es escaso encontrar terrenos con resistividad uniforme,
aunque normalmente la resistividad no varía mucho.
2. La norma se ha cuidado de no recomendar una
profundidad a la cual deben hacerse las medidas, con lo
cual, aún bajo la suposición de resistividad uniforme, se
pueden obtener valores de resistividad.
Métodos de medición de la
Resistividad del Suelo
Las mediciones deben hacerse varias veces para verificar la
homogeneidad o heterogeneidad del terreno, y su
resistividad en función de la profundidad.
Existen en la práctica varios métodos para medir la
resistividad de un terreno, siendo cuatro los recomendados
en la norma IEEE 81-1983:
El método de medición por muestras de suelo.
El método de los dos puntos
El método de los tres puntos
El método de los cuatro puntos
Métodos de Medición de la
Resistividad
MÉTODO DE WENNER
Con objeto de medir la
resistividad del suelo se hace
necesario insertar los 4
electrodos en el suelo.
Los cuatro electrodos se
colocan en línea recta y a una
misma profundidad de
penetración,
las mediciones de resistividad
dependerán de la distancia entre
electrodos y de la resistividad
del terreno.
Métodos de Medición de la
Resistividad
MÉTODO DE WENNER
El principio básico de este método es la inyección de
una corriente directa o de baja frecuencia a través de la
tierra entre dos electrodos C1 y C2 mientras que el
potencial que aparece se mide entre dos electrodos P1
y P2.
Estos electrodos están enterrados en línea recta y a
igual separación entre ellos. La razón V/I es conocida
como la resistencia aparente.
P
I
a a a
C1 C2 P1 P2
b
Métodos de Medición de la
Resistividad
La resistividad aparente está dada por la siguiente
expresión:
Si la distancia enterrada (b) es pequeña comparada con la
distancia de separación entre electrodos (a). O sea a > 20b,
la siguiente fórmula simplificada se puede aplicar:
ρ=2πaR
Donde:
ρ = resistividad aparente del suelo en Ω.m
R = resistencia medida en Ω
a= distancia entre los electrodos en metros
b = profundidad de los electrodos en metros 2 2 2 2
4. .
2.1
4
a
a R
a a
a b a b
Ejemplo de Medición de la Resistividad
del Suelo con Wenner
Como ejemplo, si la distancia entre electrodos a es de 3
metros, b es 0.15 m y la lectura del instrumento es de
0.43 ohms.
La resistividad promedio del terreno a una profundidad
de 3 metros, es de 8.141 ohm-m según la fórmula
completa y de 8.105 ohms-m según la fórmula
simplificada.
Fórmula
Completa
Fórmula
Simplificada ρ=2πaR
2 2 2 2
4. .
2.1
4
a
a R
a a
a b a b
Método de Medición de la Resistividad
Método de Schlumberger
Es una modificación del método de Wenner, ya que
también emplea 4 electrodos, pero en este caso la
separación entre los electrodos centrales o de
potencial (a) se mantiene constante.
Método de Medición de la Resistividad
Método de Schlumberger
El método de Schlumberger es de gran utilidad cuando
se requieren conocer las resistividades de capas más
profundas, sin necesidad de realizar muchas mediciones
como con el método Wenner.
Se utiliza también cuando los aparatos de medición son
poco inteligentes. Solamente se recomienda hacer
mediciones a 90 grados para que no resulten afectadas
las lecturas por estructuras subterráneas.
ρ=2πR(n+1)na
Con este método la resistividad esta dada por:
Modelización del Suelo
Comúnmente, las modelos de resistividad usados son el
modelo de suelo uniforme y el modelo de suelo
biestratificados.
El suelo homogéneo: Un modelo de suelo uniforme
se utiliza cuando las mediciones arrojan una variación
moderada en la resistividad aparente. La resistividad se
puede obtener:
(1) (2) ( )
( )
...a a a n
a avgn
(max) (min)
( )2
a a
a avg
Los suelos heterogéneos: Los suelos heterogéneos,
con varios estratos o capas, pueden ser tratados como
un suelo formado por dos estratos de diferente
resistividad (superficial ρ1, y profunda ρ2).
Curva de resistividad aparente en función de la separación de los electrodos
para suelos estratificados
Modelización del Suelo
Perfil de Resistividad
Para obtener el perfil de resistividad en un punto
dado, se utiliza el Método de Wenner con
espaciamientos entre electrodos de prueba cada
vez mayores. Por lo general, para cada
espaciamiento se toman dos lecturas de
resistividad en direcciones perpendiculares entre sí.
La gráfica resultante de trazar el promedio de las
mediciones de resistividad (R) contra distancia
entre electrodos (a) se denomina perfil de
resistividad aparente del terreno
Ejemplo de Perfiles de Resistividad
Capa superficial arcillosa y
húmeda, capa inferior rocosa:
perfil de resistividad
ascendente.
Capa superficial muy seca,
capa inferior arenosa: perfil
de resistividad descendente
Ejemplo de Perfiles de Resistividad
Terreno rocoso y seco. Perfil de resistividad plano.
Pasos para la medición de
Resistividad
a) Delimite la zona en estudio
b)Marque un punto O que será el punto de simetría para
la ubicación de los electrodos de medición
c) Establezca las direcciones de medición, trate de cubrir
totalmente la zona en estudio.
d)Seleccione las distancias de forma recta y perpendicular
e)Calcule la resistividad aparente de acuerdo a las
ecuaciones y levante la curva respectiva.
f) Si existen puntos dudosos repita la medición respectiva.
Espaciamiento Entre Mediciones
Cuando se habla de extensiones grandes de
terreno, se deben tomar lecturas al menos cada
100 m. Esta distancia puede disminuir en función
de la longitud del terreno.
Se deben tomar lecturas en donde exista un
cambio visible en las características del suelo.
3. Dos lecturas sucesivas no deben diferir de una
relación mayor que 2:1.
Cuando una lectura varia de la precedente por
más de la relación anterior, es conveniente repetir
la lectura. Aunque no es necesario realizar otra
lectura cuando el valor más bajo es mayor que
20,000 ohm-cm.
Resistividad de Suelos • Se deben determinar las características del suelo: resistividad,
tipo de terreno, y en caso de congelamiento hasta qué
profundidad ocurre.
1 – 10
8 – 70
10 – 150
30 – 150
4 – 300
10 – 1000
5 – 250
100 – 400
200 – 3000
40 – 10.000
3000 – 30.000
10.000 –50.000
10.000 –100.000
2
40
50
90
100
120
150
250
2000
3.000
15.000
25.000
100.000
Agua de mar
Arcilla
Agua subterránea
Agua en suelo de rocas ígneas
Mezcla de arcilla y arena
Pizarra, esquisto y gres
Turba, limo y lodo
Agua de lago y torrente
Arena
Grava de morena
Grava marítima
Granito
Limites Normales
[-mts]
Resistividad
Típica [-mts]
Tipo de Suelos
1 – 10
8 – 70
10 – 150
30 – 150
4 – 300
10 – 1000
5 – 250
100 – 400
200 – 3000
40 – 10.000
3000 – 30.000
10.000 –50.000
10.000 –100.000
2
40
50
90
100
120
150
250
2000
3.000
15.000
25.000
100.000
Agua de mar
Arcilla
Agua subterránea
Agua en suelo de rocas ígneas
Mezcla de arcilla y arena
Pizarra, esquisto y gres
Turba, limo y lodo
Agua de lago y torrente
Arena
Grava de morena
Grava marítima
Granito
Limites Normales
[-mts]
Resistividad
Típica [-mts]
Tipo de Suelos
Tratamientos para reducir la
resistividad del suelo
Se utilizan los métodos de retención del agua y el método de
tratamiento químico.
El método de la retención de agua:
Dependiendo de la granulometría, porosidad y sales que posea
el terreno, se puede aumentar la humedad del mismo a fin de
retener mayor la cantidad de agua posible para mejorar la
distribución de sales ionizables y de esta manera aumentar la
conductividad.
El método de tratamiento químico:
Las sustancias químicas y naturalmente las más utilizadas son:
Sulfato de magnesio (MgSO4),
Sulfato de cobre (CuSO4),
Cloruro de calcio (CaCl2),
Cloruro de sodio (NaCl),
Nitrato de potasio (KNO3),
Potasio (K), carbón vegetal,
Bentonita, yeso y marconita.
En algunos casos, deben tenerse precauciones de los altos
efectos corrosivos de este método sobre los sistemas de
puesta a tierra
Tratamientos para reducir la
resistividad del suelo
Tratamientos Químicos
El método de la zanja:
Se cava una zanja de aproximadamente 3 metros de
profundidad por 0.3 metros de diámetro, la cual se
rellena con material químico donde se coloca un
electrodo especial.
Resistividad y Resistencia
La eficiencia de un sistema de puesta a tierra es
evaluado en términos de resistencia eléctrica.
La resistencia es una medida de cuán bien el electrodo
puede dispersar corriente en el suelo circulante.
Las propiedades eléctricas del suelo son descritas en
términos de la resistividad.
Clasificación de la Puesta a tierra del
neutro
1. Sistema con neutro aislado
2. Sistema con neutro sólidamente o efectivamente conectado a tierra
3. Sistema del neutro conectado a través de una impedancia alta
4. Sistema del neutro conectado a través de una impedancia baja
5. Sistema con neutro conectado a través de una impedancia resonante
6. Sistemas de puesta a tierra para señales electrónicas
El convencional
El esquema de puesta a tierra aislada
Esquema de tierra aislada total
Esquema de malla de referencia