INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LPEZ MATEOS

DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

EVALUACIN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA sxssPARA SUBESTACIONES EN EDIFICIOS DE GRAN ALTURA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN GERSON SNCHEZ HERNNDEZ

FERNANDO SNCHEZ RODRGUEZ

ASESORES ING. ANDRS DANIEL CHVEZ SAUDO

M. EN C. REN TOLENTINO ESLAVA

MXICO, D. F. Marzo 2015

2

CONTENIDO

RELACIN DE FIGURAS ........................................................................................ I

RELACIN DE TABLAS .......................................................................................... II

ALFABETO GRIEGO ............................................................................................. III

NOMENCLATURA ................................................................................................. III

RESUMEN .............................................................................................................. V

INTRODUCCIN .................................................................................................... VI

CAPTULO I SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ..................................... 1

1.1 ANTECEDENTES E IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ...... 2 1.1.1 Sistema de puesta a tierra ..................................................................... 2 1.1.2 Antecedentes de los sistemas de puesta a tierra .................................. 2 1.1.3 Importancia del sistema de puesta a tierra dentro del sistema elctrico 2

1.2 GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ................................ 3 1.2.1 Clasificacin de los sistemas de puestas a tierra .................................. 3

1.2.1.1 Clasificacin por su naturaleza ....................................................... 3 1.2.1.2 Clasificacin por el tipo de instalacin ............................................ 4

1.2.2 Elementos que conforman un sistema de puesta a tierra ..................... 4 1.2.2.1 Conductores ................................................................................... 4 1.2.2.2 Electrodos de puesta a tierra .......................................................... 5 1.2.2.3 Conectores ..................................................................................... 7

1.2.3 Configuraciones de los sistemas de tierra ............................................. 9 1.2.4 Corrientes tolerables por el cuerpo humano ....................................... 11 1.2.5 Resistencia del cuerpo humano .......................................................... 12 1.2.6 Tensiones peligrosas .......................................................................... 12

1.2.6.1 Tensin de paso (Epaso) ................................................................ 12 1.2.6.2 Tensin de contacto (ECONTACTO) .................................................. 14 1.2.6.3 Tensin de transferencia .............................................................. 17

1.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ....... 17 1.3.1 Caractersticas del terreno ................................................................. 18

1.3.1.1 Factores que influyen en la resistividad del terreno ...................... 19 1.3.1.2 Corrientes de cortocircuito a tierra ................................................ 20

1.3.2 Tipos de fallas a tierra ........................................................................... 20 1.3.3 Factores de correccin para el clculo de las corrientes de cortocircuito ....................................................................................................................... 21

1.3.3.1 Factor de decremento ................................................................... 21 1.3.3.2 Factor de seguridad por crecimiento de la subestacin ................ 22

1.3.4 Efecto de la resistencia de la red de tierra .......................................... 23

CAPTULO II CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA AAAAAAAAAASEGN LA NORMATIVIDAD VIGENTE ...................... 24

2.1 CRITERIOS PARA EL CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ................... 25

i

ii

iii

iii

v

vi

2.2 PROCEDIMIENTO DE CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA ................... 25 2.2.1 Datos de campo .................................................................................... 27 2.2.2 Tamao del conductor de la red de tierra .............................................. 27 2.2.3 Criterio de paso y contacto .................................................................... 29 2.2.4 Diseo inicial ......................................................................................... 29 2.2.5 Resistencia de la red de tierra ............................................................... 30 2.2.6 Corriente de la red de tierra .................................................................. 33 2.2.7 Evaluacin de la elevacin de potencial de tierra (GPR) ...................... 35 2.2.8 Clculo de tensin de paso y tensin de contacto ................................ 35 2.2.9 Evaluacin de tensin de malla ............................................................. 37 2.2.10 Evaluacin de la tensin de paso ........................................................ 38 2.2.11 Modificacin del diseo inicial ............................................................. 38 2.2.12 Detalles del diseo. ............................................................................. 38

CAPTULO III MODIFICACIN DE LA METODOLOGA VIGENTE AAAAAAAAAAPARA CALCULAR EL SISTEMA DE PUESTA A AAAAAAAAAATIERRA EN EDIFICIOS DE GRAN ALTURA .............. 39

3.1 ANLISIS DE LAS ECUACIONES EN LA METODOLOGA VIGENTE. ......................... 40 3.2 ECUACIONES DE LA METODOLOGA CON IMPACTO POR LA LONGITUD DE LOS AAACONDUCTORES. ............................................................................................. 41

3.2.1 Resistencia de la red ............................................................................. 42 3.2.2 Tensin de malla ................................................................................... 44 3.2.3 Longitud mnima de conductor .............................................................. 46

CAPTULO IV EVALUACIN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA AAAAAALAXCON LA METODOLOGA MODIFICADA EN UN CASO AAAAAAAAADE APLICACIN ................................................................... 48

4.1 CARACTERSTICAS DEL CASO DE EVALUACIN PROPUESTO .............................. 49 4.2 SOLUCIN UTILIZANDO LA METODOLOGA TRADICIONAL .................................... 50 4.3 SOLUCIN UTILIZANDO LA METODOLOGA MODIFICADA ..................................... 55 4.4 COMPARACIN DE RESULTADOS DE TENSIONES DE PASO Y CONTACTO AAAOBTENIDAS CON AMBAS METODOLOGAS ......................................................... 59

CONCLUSIONES .................................................................................................. 61

BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 63

RELACIN DE FIGURAS

i

RELACIN DE FIGURAS

Figura Descripcin Pg. Figura 1.1 Conductor desnudo de cobre ......................................................................... 5 Figura 1.2 Electrodo tipo pica (varilla Copperwel) ......................................................... 5 Figura 1.3 Electrodo tipo placa .......................................................................................... 6 Figura 1.4 Electrodos recubiertos en concreto ............................................................... 7 Figura 1.5 Conectores atornillados ................................................................................... 7 Figura 1.6 Conectores a presin ....................................................................................... 8 Figura 1.7 Conector soldable CADWELD ........................................................................ 8 Figura 1.8 Sistema radial ........................................................................................ 9 Figura 1.9 Sistema de anillo .................................................................................. 10 Figura 1.10 Sistema de red o malla ................................................................................ 10 Figura 1.11 Tensin de paso.[1] ...................................................................................... 13 Figura 1.12 Circuito equivalente de la tensin de paso............................................... 13 Figura 1.13 Tensin de contacto ..................................................................................... 15 Figura 1.14 Circuito equivalente de la tensin de contacto ........................................ 15 Figura 1.15 Tensin transferida ....................................................................................... 17 Figura 1.16 Falla dentro del local de la estacin .......................................................... 20 Figura 1.17 Falla en el local de la estacin ................................................................... 21 Figura 2.1 Diagrama de flujo del procedimiento de diseo ................................... 26 Figura 2.2 Coeficiente k1 ....................................................................................... 32 Figura 2.3 Coeficiente k2 ....................................................................................... 33 Figura 3.1 Circuito equivalente de la resistencia de red, conductores y cuerpo

sssssssshumano ............................................................................................................ 42 Figura 3.2 Longitud del conductor vertical de puesta a tierra ..................................... 43 Figura 4.1 rea y altura del edificio ................................................................................ 49 Figura 4.2 Distribucin de conductores y varillas para el diseo preliminar ............ 52

RELACIN DE TABLAS

ii

RELACIN DE TABLAS

Tabla Descripcin Pg.

Tabla 1.1 Resistividades medidas del terreno 18. Tabla 1.2 Factores de decremento [1]. 22 Tabla 2.1 Constantes de materiales [11..... 28 Tabla 2.2 Valores tipicos de factor de decremento Df. 34 Tabla 4.1 Resultados obtenidos por ambas metodologas de clculo 59 Tabla 4.2 Variacin de resultados entre ambas metodologas 60

ALFABETO GRIEGO Y NOMENCLATURA

iii

ALFABETO GRIEGO

Smbolo Descripcin Unidades

Resistividad de la tierra. m. s Resistividad de la capa superficial. m.

NOMENCLATURA

Smbolo Descripcin Unidades

Resistividad de la tierra. m. s Resistividad de la capa superficial. m. 3I0 Corriente de falla simtrica en la subestacin para el tamao

del conductor. A

A El rea total utilizada por la red de tierra. m2 Cs Factor de reduccin de potencial por la capa superficial. Adimensional d Dimetro del conductor de la red de tierra. m D Separacin entre conductores paralelos. m Df Factor de decremento. Adimensional Dm La distancia mxima entre dos puntos cualesquiera de la

red. m

Em Tensin de malla desde el centro de la red de tierra haca la esquina de la red de tierra, mtodo simplificado.

V

Es Tensin de paso entre un punto sobre la esquina exterior de la malla o red y un punto de 1 m de manera diagonal haca afuera de la red de tierra por el mtodo.

V

Estep50 Tensin de paso tolerable por el cuerpo humano con 50 kg de peso.

V

Estep70 Tensin de paso tolerable por el cuerpo humano con 70 kg de peso corporal.

V

Etouch50 Tensin de contacto tolerable por el cuerpo humano con 50 kg de peso corporal.

V

Etouch70 Tensin de contacto tolerable para el consumo humano con 70 kg de peso corporal.

V

h Profundidad a la que se entierran los conductores de la red de tierra.

m

hs Espesor de la capa superficial de material. IG Corriente de red mxima que fluye entre red de tierra y los

alrededores de la tierra. A

Ig Corriente de falla simtrica de red. A

ALFABETO GRIEGO Y NOMENCLATURA

iv

K Factor de reflexin entre diferentes resistividades. Adimensional Kh Factor de ponderacin correctiva que hace hincapi en los

efectos de la profundidad de la red, mtodo simplificado. Adimensional

Ki Factor de correccin para la geometra de la red, mtodo simplificado.

Adimensional

Kii Factor de ponderacin correctiva que hace hincapi en los efectos de los conductores internos en la esquina de malla, mtodo simplificado.

Adimensional

Km Factor de espaciado para la tensin de malla, mtodo simplificado.

Adimensional

Ks Factor de espaciado para la tensin de paso, mtodo simplificado.

Adimensional

LC Longitud total del conductor de red. m LM Longitud efectiva de Lc + LR para tensin malla. m LR Longitud total de varillas de tierra. m Lr Longitud de la varilla de tierra en cada ubicacin. m LS Longitud efectiva de Lc + LR para la tensin de paso. m LT La longitud total efectiva de los conductores de puesta a

tierra, incluyendo la red y las varillas de tierra. m

Lx La longitud mxima del conductor de la red en direccin x. m Ly Longitud mxima de los conductores de la red en direccin

y. m

nR Nmero de varillas colocadas en el rea. A Rg Resistencia del sistema de puesta a tierra. . Sf Factor de divisor de corriente de falla. Adimensional tc Duracin de la corriente de falla para el dimensionamiento

conductor de tierra. s

tf Duracin de la corriente de falla para determinar factor de decremento.

s

ts Duracin de choque elctrico para determinar corriente admisible cuerpo.

s

RESUMEN

v

RESUMEN

Se evalu el sistema de puesta a tierra calculado para una instalacin elctrica de tensin media en un edificio de 117.25 m, con la metodologa vigente para el clculo de sistemas de puesta a tierra, contrastando los resultados obtenidos con los obtenidos a travs de la modificacin realizada a aquellas ecuaciones de la metodologa donde la longitud de los conductores existentes entre la subestacin situada en la azotea de la estructura y el sistema de puesta a tierra ubicado en la parte inferior del edificio en contacto con terreno natural presentaran un impacto en el resultado obtenido. Se consider la metodologa de clculo presentada por el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en la norma IEEE Std-80 2000 Guide for Safety in AC Subestation Grounding como base para el clculo del sistema de puesta a tierra, y se tomaron en consideracin las especificaciones nacionales expresadas en la norma NOM-001-SEDE-2012 Instalaciones elctricas (Utilizacin). Se analizaron las ecuaciones que componen la metodologa de clculo de sistemas de puesta a tierra y se determin en que ecuaciones la longitud de los conductores extra al sistema se presentara un cambio al considerar determinada longitud y se aplicaron la metodologa de clculo tradicional y modificada a un caso prctico. Los resultados mostraron una reduccin en el valor de la resistencia de la red del 2.69% al considerar la longitud de los conductores de 117.25 m. Esta reduccin en la resistencia ocasion un decremento en el valor de la tensin de contacto de 137.9 V, lo que equivale a una variacin de 9.44% del valor mencionado. Tambin se present una disminucin en la elevacin del potencial a tierra para la rejilla de 602.89 V equivalente al 2.69% del valor total obtenido mediante la metodologa de clculo tradicional. El ltimo cambio que se observ fue el aumento en la longitud mnima efectiva del conductor empleado en el sistema de puesta a tierra con una variacin de 8.63%. Para el diseo de sistemas de puesta a tierra para edificios se concluy que si se puede continuar empleando la metodologa tradicional puesto que no se presentan variaciones crticas a las magnitudes permisibles obtenidas en la metodologa modificada en este trabajo, sin embargo para casos en los que la altura del edificio sea de mayor magnitud, el diseo del sistema puede ser modificado con la intencin de reducir los materiales empleados en el sistema. Al alcanzar una reduccin del 5% en la resistencia de la red es recomendable redisear por completo la rejilla propuesta.

INTRODUCCIN

vi

INTRODUCCIN

Los sistemas de puesta a tierra en las instalaciones elctricas de tensin media y baja son necesarios para evitar riesgos durante condiciones de fallas elctricas en las instalaciones, tanto para el equipo como para el personal. Uno de los objetivos de un sistema de tierra es brindar seguridad para el personal, proporcionando un circuito de baja impedancia para la circulacin de las corrientes en la tierra, evitando que durante la circulacin de corriente se presenten diferencias de potencial peligrosas para el personal que se encuentra o circula en el rea de la subestacin. El diseo de sistemas de puesta a tierra debe ser considerado ampliamente por los ingenieros encargados de instalaciones elctricas, basndose en normatividad nacional e internacional aplicable. Los criterios para disear sistemas de puesta a tierra consideran que las redes de tierra forman parte imprescindible de las subestaciones elctricas. Sin embargo, en un edificio de gran altura la red de tierra se encuentra en el nivel inferior del edificio, para estar en contacto con el terreno natural y es muy probable que puedan encontrarse subestaciones en varios niveles, incluso en la azotea del edifico. Tomando en cuenta esta altura; por razones tcnicas y econmicas, es necesario ubicar las subestaciones para transformar de tensin media a tensin baja lo ms cerca posible de las cargas elctricas, lo que aleja a las subestaciones de la red de tierra que est instalada en el nivel inferior. En caso que la subestacin se encuentre a cierta altura de la red de tierra, la solucin prctica es conectar la subestacin a la red por medio de conductores de puesta a tierra, los cuales son generalmente ms de uno. Esto implica una impedancia agregada al circuito original que se ha calculado y la probabilidad de que responda de una manera diferente a la esperada, el aumento de la impedancia debida a la distancia de los conductores entre la subestacin y la red de tierra no estn considerados en la metodologa de clculo actual. Por esta razn una metodologa de clculo en la que no se consideren condiciones especiales de la instalacin no es adecuada, los resultados obtenidos al utilizarla podran no ser los esperados y requeridos para garantizar la seguridad de las instalaciones y el personal. En el caso en que la subestacin se encuentra separada a determinada altura del sistema de tierra, la impedancia agregada al sistema por los conductores que conectaran la red de tierra con la subestacin no debe ser despreciada, puesto que podra cambiar la respuesta del sistema ante la presencia de una falla elctrica. Para tener la plena seguridad de que un sistema de tierra en las circunstancias descritas presentar el comportamiento esperado debe ser considerada dentro de la metodologa de clculo actual esta impedancia agregada en aquellas ecuaciones donde el aumento de la impedancia tenga un impacto considerable en los resultados esperados.

INTRODUCCIN

vii

Evaluar la metodologa tradicional de clculo permitir determinar si los sistemas de puesta a tierra para edificios de gran altura calculados por el mtodo tradicional son seguros y confiables en caso de falla y permitir que en clculos futuros de sistemas de tierra no se excluyan estas variables de ser necesarias. Por lo que el objetivo de este trabajo es evaluar el sistema de puesta a tierra para una instalacin elctrica de tensin media de un edificio con el clculo del mismo sistema utilizando una versin modificada de la metodologa donde se considere la longitud de los conductores en las ecuaciones que as lo requieran. El presente trabajo se encuentra dividido en cuatro captulos que se describen a continuacin: En el captulo I se presenta la teora concerniente a los sistemas de puesta a tierra en general, abarcando los antecedentes de los sistemas, los elementos que los constituyen, su clasificacin y aquellos factores que tienen influencia en el diseo de un sistema de puesta a tierra. En el captulo II se describe la metodologa vigente de clculo presentada en el IEEE Std-80y se explican los criterios para el clculo del sistema as como el procedimiento de diseo del mismo, profundizando en los modelos matemticos para su clculo. El anlisis de la metodologa vigente de clculo de sistemas de puesta a tierra y se presenta la modificacin de las ecuaciones donde el efecto de la longitud de los conductores tiene un impacto en el resultado se muestra en el capitulo III. En el captulo IV se aplican la metodologa vigente de clculo y la metodologa modificada a un caso prctico de clculo del sistema de puesta a tierra para un edificio de 117.25 m con una subestacin de tensin media en la azotea de la estructura y se comparan los resultados obtenidos por ambos mtodos, para calcular el error presente entre uno y el otro. Finalmente, se presentan las conclusiones obtenidas en las que para el diseo de sistemas de puesta a tierra para edificios se determina si se puede continuar empleando la metodologa tradicional, adems se mencionan las consideraciones que se deben de tener para emplear la metodologa tradicional en sistemas de puesta a tierra para edificios de gran altura.

CAPTULO I

1

CAPTULO I SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

C

A

P

T

U

L

O

1

S

I

S

T

E

M

A

S

D

E

CAPTULO I

SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

CAPTULO I

2

1.1 ANTECEDENTES E IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE

PUESTA A TIERRA

1.1.1 SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

Un sistema de puesta a tierra es la unin elctrica con la tierra de una parte de un circuito elctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo. Este tiene como objetivo evitar diferencias de potencial peligrosas en una instalacin elctrica y que al mismo tiempo permite el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosfricas a tierra, logrando con esto proporcionar seguridad al personal, equipos e instalaciones elctricas, asegurando una buena calidad de la energa [6].

1.1.2 ANTECEDENTES DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

Cuando Thomas Alva Edison inici su compaa elctrica de iluminacin y el sistema elctrico de distribucin utiliz un conductor aislado (de tierra) para conducir la corriente elctrica, utilizaba la tierra (terreno natural) como conductor para el retorno de la corriente elctrica a su origen. Esta corriente que flua por la tierra (terreno natural) no tena control, lo cual resultaba en la muerte de personas y animales cercanas al terreno. Fue entonces cuando se modific el sistema elctrico a 3 fases. El debate fu si se deban poner o no a tierra los sistemas elctricos, hasta que en el ao 1913 el NEC (National Electrical Code) oblig a que los sistemas elctricos con una tensin mayor a 150 V medidos de fase a tierra, fueran puestos a tierra. Actualmente las compaas suministradoras utilizan la tierra (terreno natural) como conductor parcial de retorno de la corriente elctrica a su origen, trayendo como consecuencia que fluyan corrientes elctricas sin control por la tierra (terreno natural), tubera metlicas subterrneas o materiales conductivos.

1.1.3 IMPORTANCIA DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DENTRO DEL SISTEMA ELCTRICO En una instalacin elctrica, un sistema de puesta a tierra tendr efectos importantes principalmente sobre la seguridad de las personas y los equipos, adems de los sistemas de proteccin contra descargas atmosfricas. Un sistema de tierra se necesita para que cumpla con las siguientes funciones:

a) Proporcionar un circuito de baja impedancia para la circulacin de corrientes

a tierra, ya sea debidas a fallas elctricas o a la operacin de pararrayos.

b) Evitar que durante la circulacin de corrientes a tierra, puedan producirse

diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestacin, lo cual

significa un enorme peligro para el personal.

c) Facilitar la eliminacin de las fallas a tierra en sistemas elctricos.

CAPTULO I

3

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio elctrico [6].

Una instalacin errnea puede ocasionar daos o el funcionamiento incorrecto de los equipos o ms grave an, choques elctricos que pueden causar serias heridas y aun la muerte a personal tcnico que opere en las instalaciones elctricas, o inclusive a personas que en su vida cotidiana. La seguridad humana y la salud ocupacional son aspectos que tienen estrecha relacin con las puestas a tierra, y en realidad son las razones por las cuales existen. Una gran parte de los accidentes personales en la industria y en cualquier otra parte donde se tenga un sistema elctrico, debidos a causas elctricas, estn relacionados con el contacto directo con partes metlicas. Se ha encontrado que la causa de estos accidentes, ha sido la falta de un sistema de tierra o sistemas de tierra inadecuados. Estadsticamente el 10% de los incendios originados en las Instalaciones Elctricas se deben a fallas en los sistemas de tierras. Por sta razn, se deduce que desde el diseo de cualquier instalacin elctrica para plantas industriales, hospitales, oficinas edificios pblicos, entre otros; Se le debe dar gran importancia y atencin al sistema de tierra.

1.2 GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 1.2.1 CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE PUESTAS A TIERRA Los sistemas de puesta a tierra se pueden clasificar con base en la instalacin elctrica que se conecta a tierra; sin embargo una clasificacin fundamental resulta ms prctica, ya que a partir de ella se pueden organizar en un amplio espectro de clasificacin, por ejemplo:

Clasificacin por su naturaleza

Clasificacin por el tipo de instalacin

1.2.1.1 CLASIFICACIN POR SU NATURALEZA Indica al origen del sistema como tal. A su vez se subdivide como:

Instalacin artificial de puesta a tierra. Este tipo de instalacin es construida intencionalmente por medio de electrodos, conductores y conectores con el nico fin de conducir las corrientes de falla hacia tierra.

Instalacin natural de puesta a tierra. No son instalaciones diseadas ni

construidas con el propsito de funcionar como un sistema de puesta a tierra, son en realidad elementos de otros sistemas tcnicos, por ejemplo, tuberas

CAPTULO I

4

metlicas, cimientos (de estructuras metlicas), vas frreas, entre otras que se encuentren en la proximidad de la instalacin que se desea proteger.

1.2.1.2 CLASIFICACIN POR EL TIPO DE INSTALACIN

Se refiere a la funcionalidad del sistema, a la aplicacin que se le da a la instalacin. Y se clasifican en 3 grupos.

Instalacin de puesta a tierra de servicio. Se aplica para satisfacer ciertas condiciones de servicio del sistema tcnico en cuestin (puesta a tierra del punto estrella de un transformador).

Sistema de puesta a tierra de proteccin. Su objetivo es asegurar que durante el traspaso de corriente a tierra los efectos fisiolgicos no daen a los seres vivos que eventualmente estuviesen en la proximidad del sistema de tierra, por ejemplo el gabinete de una mquina elctrica.

Sistema de tierra para trabajo. Se aplica cuando durante reparaciones o mantenimiento, es necesario realizar conexiones slidamente aterrizadas con la finalidad de que sean accesibles y no exista peligro en las actividades a realizar.

1.2.2 ELEMENTOS QUE CONFORMAN UN SISTEMA DE PUESTA A

TIERRA

Los elementos que constituyen el sistema de puesta a tierra deben ser dimensionados para que no se produzcan calentamientos debido a intensidad de corriente que circula y que puedan deteriorar sus caractersticas y son los siguientes.

Conductores

Electrodos

Conectores

1.2.2.1 CONDUCTORES Son utilizados para formar la malla de tierra y para la conexin a tierra de los equipos. Los materiales empleados para la fabricacin de los conductores empleados en el sistema de tierras son cobre, cobre estaado, acero, acero inoxidable, acero galvanizado, aluminio, etc. Por lo general los conductores utilizados son de cobre desnudo arriba de 4/0 AWG dependiendo del sistema que se utilice. Se ha escogido el calibre mnimo de 4/0 AWG en cobre por razones mecnicas, en la figura 1.1 se puede observar un rollo de conductor de cobre desnudo.

CAPTULO I

5

Figura 1.1 Conductor desnudo de cobre.

En la mayora de los sistemas de puesta a tierra se utiliza el cobre debido a su mejor conductividad, tanto elctrica como trmica y por ser resistente a la corrosin con respecto a otros materiales que pudieran estar enterrados cerca de l o expuestos a las mismas condiciones que pudiesen provocar deterioro.

1.2.2.2 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA Se le denomina electrodos al conjunto de elementos que se clavan o se entierran en el terreno natural y que sirven para realizar las descargas a tierra. Se clasifican de la siguiente manera:

Pica (Tubo, varilla Copperweld, bastn).

La varilla que se muestra en la figura 1.2, es un elemento bimetlico compuesto por un ncleo de acero y una pelcula externa de cobre, unidos metalrgicamente. La capa de cobre brinda proteccin suficiente contra la corrosin del terreno y la varilla en conjunto permite una adecuada difusin a tierra de las corrientes de falla que se puedan presentar en el sistema elctrico.

Figura 1.2 Electrodo tipo pica (varilla Copperweld).

La varilla Copperweld basa su funcionamiento en la longitud de la misma, por lo que disminuira en proporcin a su largo la resistencia de propagacin de corrientes. Para mejores resultados, es importante una adecuada instalacin y homogeneidad del terreno.

CAPTULO I

6

La varilla Copperweld no tiene mucha rea de contacto, pero s una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra hmedas, con lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

Placa.

Este tipo de electrodos es ideal para terrenos con una gran resistividad, debido a que tiene una gran rea de contacto. Segn el artculo 250-52 (a-7) de la NOM 001-SEDE-2012 la placa debe tener un rea de por lo menos 0.2 m y un espesor mnimo de 6.4 mm y un mnimo de 1.52 mm de espesor, como se muestra en la figura 1.3.

Figura 1.3 Electrodo tipo placa [11]

Electrodo recubierto en concreto.

Una o ms varillas de acero desnudo o galvanizado o revestido de cualquier otro recubrimiento conductor empotrado en concreto, como se muestra en la figura 1.4 localizado cerca del fondo de un cimiento o zapata que est en contacto directo con la tierra [2].

CAPTULO I

7

Figura 1.4 Electrodos recubiertos en concreto.

1.2.2.3 CONECTORES Los conectores son elementos que nos sirven para unir a la red de tierras a los electrodos profundos, las estructuras, los neutros de los bancos de transformadores, entre otros elementos a los que se requiera realizar una conexin para descarga en caso de falla a tierra. Los conectores utilizados en el sistema de puesta a tierra son principalmente de tres tipos.

Conectores atornillados. Generalmente estn conformados por dos piezas, las cuales estn unidas por medio de tornillos como se muestra en la figura 1.5. El material del conector es de bronce con alto contenido de cobre y el de los tornillos es de bronce al silicio con el fin de proporcionar una alta resistencia mecnica y a la corrosin. Su limitacin mxima de temperatura es de 250 oC.

Figura 1.5 Conectores atornillados.

CAPTULO I

8

Conectores a presin. Los conectores de presin se fabrican en una sola pieza y mediante herramientas especiales se colocan para la unin de conductores como se muestra en la figura 1.6. Los conectores a presin deben disearse para una temperatura mxima de 250 oC a 350 oC. Los conectores de presin dan mayor garanta de buen contacto y son ampliamente utilizados para interconectar la red de tierra, as como para la puesta a tierra de las estructuras metlicas.

Figura 1.6 Conectores a presin.

Conectores soldados o exotrmicos.

Los conectores soldables son aquellos donde por medio de una reaccin qumica exotrmica los conductores y el conector se sueldan en una conexin molecular. Este tipo de conector, por su naturaleza soporta como mnimo la misma temperatura de fusin del conductor. La razn por la que suelen ser los ms utilizados es el ahorro de tiempo y costo que se obtiene al realizar muchas conexiones, tambin proporcionan una conexin permanente y eliminan la resistencia de contacto adems de estn libres de corrosin y permiten el uso de conductores de menor calibre. En la figura 1.7 se muestra el conector soldable marca CADWELD.

Figura 1.7 Conector soldable CADWELD.

CAPTULO I

9

1.2.3 CONFIGURACIONES DE LOS SISTEMAS DE TIERRA Para las redes de tierra se tienen bsicamente tres disposiciones, que son las siguientes:

Sistema radial. Este sistema est compuesto de uno o varios electrodos de tierra, a los cuales se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos, como se muestra en la figura 1.8. Esta configuracin resulta la ms econmica, sin embargo es la menos confiable, ya que al presentarse una falla en un sistema o en el equipo, se generan grandes gradientes de potencial.

Figura 1.8 Sistema radial.

Sistema en anillo. Esta configuracin se obtiene colocando un conductor de cobre de calibre suficiente alrededor de la superficie ocupada por el equipo de la subestacin elctrica y conectando derivaciones a cada uno de los equipos, mediante un conductor de un calibre menor. Es un sistema que resulta econmico y eficiente, en el cual se eliminan las grandes distancias de descarga a tierra del sistema radial. Por su configuracin, el sistema en anillo no limita potenciales, nicamente puede proporcionar, valores bajos de resistencia a tierra, como se muestra en la figura 1.9. Este arreglo se emplea cuando la corriente de retorno de la falla a tierra circula nicamente por conductores, como es el caso de las subestaciones tipo pedestal cuya alimentacin lleva un neutro corrido.

CAPTULO I

10

Figura 1.9 Sistema de anillo.

Sistema de red o malla. El sistema de malla es el ms usado actualmente en las subestaciones elctricas. Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares formando una malla o retcula, a la cual se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. En el permetro de la malla, generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra, como se muestra en la figura 1.10.

Figura 1.10 Sistema de red o malla.

CAPTULO I

11

Cuando las corrientes de falla circulan por el terreno natural se generan potenciales que la red de tierras debe limitar para que no resulten peligrosos para el personal. El sistema de malla limita estos potenciales en el rea de la subestacin y adems proporciona valores bajos de resistencia a tierra para el sistema elctrico. Este sistema es el ms eficiente, pero tambin el ms caro de los tres tipos.

1.2.4 CORRIENTES TOLERABLES POR EL CUERPO HUMANO La conduccin de grandes corrientes a tierra en instalaciones elctricas, debidas a disturbios atmosfricos o fallas del equipo, obliga a tomar precauciones para que los gradientes elctricos o las tensiones resultantes no pongan en peligro a los operadores, o al personal que labora en las plantas. Los efectos fisiolgicos ms comunes de la corriente elctrica sobre el cuerpo, indicados por el incremento de la magnitud de la corriente son: umbral de la percepcin, contraccin muscular, prdida del conocimiento, fibrilacin del corazn, obstruccin respiratoria y quemaduras.

a) Corriente de 1 mA, es conocido generalmente como el umbral de percepcin,

que es, la magnitud de corriente con la cual una persona es capaz de detectar

una ligera sensacin de hormigueo en sus manos o en la punta de los dedos

causada por la corriente que circula por su cuerpo en ese momento.

b) Corrientes desde 1 mA hasta 6 mA, se catalogan a menudo como corrientes

de liberacin, aunque son desagradables de soportar, generalmente, no

afectan la capacidad de una persona de controlar sus msculos para liberar

un objeto energizado que este sosteniendo.

c) En el intervalo de 9 mA hasta 25 mA, las corrientes son dolorosas y se

dificulta o es casi imposible liberar objetos energizados sujetados con la

mano. Debido a las corrientes elevadas, las contracciones musculares

pueden dificultar la respiracin. Este efecto no es permanente y desaparece

cuando se interrumpe el flujo de corriente, a menos que la contraccin sea

muy severa y la respiracin se detenga, no por segundos sino por minutos

ser necesario aplicar la resucitacin artificial (primeros auxilios).

d) En magnitudes de corriente, desde los 60 mA hasta los 100 mA, se puede

presentar la fibrilacin ventricular, el paro respiratorio o el paro cardiaco,

ocasionando algn dao o incluso la muerte.

e) Por consiguiente, se puede considerar que un valor seguro para un corazn

sano es de 25 mA. A travs de l, naturalmente es importante el tiempo de

duracin de dicha corriente sea desde 0.03 segundos hasta 3 segundos.

CAPTULO I

12

1.2.5 RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO Los efectos de la electricidad sobre el cuerpo humano, dependen esencialmente de los siguientes factores:

La intensidad de la corriente.

El tipo de corriente (continua, a la frecuencia industrial o de 60 Hz, o bien

corrientes de alta frecuencia).

La trayectoria seguida por la corriente en el cuerpo humano.

Las condiciones del individuo en el momento del contacto.

Cuando se utiliza corriente alterna a frecuencias de 50 Hz y 60 Hz o se utiliza corriente directa, el cuerpo humano puede representarse por una resistencia. La resistencia del cuerpo humano est medida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies o entre un pie y otro. Esta resistencia es de aproximadamente 300 , mientras que los valores de resistencia del cuerpo incluyendo la piel vara de 500 a 3 000 . La resistencia del cuerpo humano disminuye con el dao o perforacin de la piel en el punto de contacto. Sin embargo la resistencia de contacto de una mano hmeda puede ser muy baja a cualquier tensin. El valor de la resistencia de los zapatos es incierto, aunque ste puede ser mucho ms bajo que la piel hmeda. Para fines de clculo se han hecho las siguientes consideraciones:

Las resistencias de contacto para las manos y los pies es igual a cero.

Las resistencias de guantes y zapatos es igual a cero.

1.2.6 TENSIONES PELIGROSAS La resistencia elctrica del cuerpo humano depende de las condiciones a las que se encuentre expuesto, debido a ello se considera muy variable (de algunos cientos hasta miles de ); por lo que los valores de tensin que aplicados al cuerpo humano se consideran peligrosos deben tomarse en cuenta de manera especfica y detallada. El clculo adecuado de las instalaciones del sistema de tierras y la coordinacin adecuada de protecciones, constituyen el medio principal para limitar dicha tensin.

1.2.6.1 TENSIN DE PASO (Epaso) Es la diferencia de potencial superficial que puede experimentar una persona con los pies separados un metro de distancia sin hacer contacto con algn objeto aterrizado. La siguiente figura explica la tensin de paso.

CAPTULO I

13

Figura 1.11 Tensin de paso [1].

El circuito equivalente se muestra en la figura 1.12.

Figura 1.12 Circuito equivalente de la tensin de paso.

Del circuito se obtiene la ecuacin:

= () (1.1) La resistencia total del circuito es:

= + 2() (1.2)

Sustituyendo de la ecuacin 1.2 en la ecuacin 1.1 se tiene que:

= ( + 2())() (1.3)

CAPTULO I

14

Si se toma en cuenta una resistencia del cuerpo RB = 1 000 para el clculo equivalente de la tensin de paso de la figura 1.12. Y considerando los pies como

electrodos se puede asumir que la Rf para cada pie es de 3 s.

Si ninguna capa protectora superficial es usada, entonces CS = 1 y S = Y la corriente mxima admisible es igual a:

50 =0.116

(1.4)

70 =0.157

(1.5)

Se tiene que la ecuacin para la tensin de paso ser para personas con un peso promedio de 50 kg:

50 = (1000 + (6CS S))0.116

(1.6)

Para personas con un peso promedio de 70 kg:

70 = (1000 + (6CS S))0.157

(1.7)

En donde:

= Resistividad del suelo en [m]

s =Resistividad de la capa superficial en [m] ts = tiempo de duracin de la exposicin a la corriente en [s] Rt =Resistencia total en []Cs =Factor de reduccin de la capa superficial [Adimensional]

1.2.6.2 TENSIN DE CONTACTO (ECONTACTO) Es la diferencia de potencial que podra experimentar una persona a travs de su cuerpo cuando se presenta una corriente de falla en la subestacin elctrica y al mismo tiempo tiene una mano o parte de su cuerpo en contacto con una estructura puesta a tierra, como se muestra en la figura 1.13.

CAPTULO I

15

Figura 1.13 Tensin de contacto.

El circuito equivalente se muestra en la siguiente figura 1.14.

Figura 1.14 Circuito equivalente de la tensin de contacto.

Del circuito se obtiene la ecuacin:

= () (1.8) La resistencia total del circuito es:

= +2

(1.9)

CAPTULO I

16

Sustituyendo de la ecuacin 1.9 en la ecuacin 1.8 se obtiene:

= ( +2

)() (1.10)

Si se toma en cuenta una resistencia de RB = 1 000 para el clculo de la tensin de contacto de la figura 1.14. Y considerando los pies como electrodos se puede

decir que la Rf para cada pie es de 3 s. Si ninguna capa protectora superficial es

usada, entonces CS = 1 y S = Y la corriente mxima admisible IB ser para personas con un peso promedio de 50 kg:

50 =0.116

(1.11)

Para personas con un peso promedio de 70 kg:

70 =0.157

(1.12)

Se tiene que la ecuacin para la tensin de paso ser ara personas con un peso promedio de 50 kg:

50 = (1000 + (1.5CS S))0.116

(1.13)

Para personas con un peso promedio de 70 kg:

70 = (1000 + (1.5CS S))0.157

(1.14)

En donde:

= Resistividad del suelo en [m] s =Resistividad de la capa superficial en [m] ts = tiempo de duracin de la exposicin a la corriente en [s] Rt =Resistencia total en []Cs =Factor de reduccin de la capa superficial es [Adimensional]

CAPTULO I

17

1.2.6.3 TENSIN DE TRANSFERENCIA Es un caso especial de la tensin de contacto, donde una tensin es transferida hacia dentro o fuera de la subestacin, como se muestra en la figura 1.15.

Figura 1.15 Tensin transferida.

Generalmente, el caso de la tensin transferida ocurre cuando una persona esta parada dentro del rea de la subestacin tocando un conductor aterrizado en un punto remoto o una persona parada en un punto lejano tocando un conductor conectado a la malla de tierras de la subestacin. Durante condiciones de falla, el potencial resultante de tierra puede ser igual o exceder la elevacin de potencial de tierra (GPR) de una malla de tierra un poco ms que la fraccin de la tensin total encontrada en las situaciones de contacto ordinarias. La elevacin del potencial de tierra (GPR): es el mximo potencial elctrico que una red de tierra puede alcanzar con relacin a un punto de tierra distante, asumiendo que est al potencial de la tierra remota. Este potencial GPR es igual a la corriente mxima de la red de tierra por la resistencia de dicha red.

1.3 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Para continuar con el diseo de un sistema de puesta a tierra es necesario considerar factores como los que enseguida se anuncian y pueden afectar el funcionamiento de los sistemas de puesta a tierra. Los factores que se deben considerar son los siguientes:

Caractersticas del terreno.

Tipo de fallas a tierra.

Los factores de correccin para el clculo de las corrientes de cortocircuito.

El efecto de la resistencia de la red de tierra.

CAPTULO I

18

1.3.1 CARACTERSTICAS DEL TERRENO

Para determinar las caractersticas del suelo, normalmente se obtienen muestras del terreno hasta una profundidad razonable que pueda mostrar la homogeneidad y condiciones de humedad o nivel de aguas freticas. Por lo que para determinar la resistividad elctrica es conveniente realizar mediciones con mtodos y aparatos aceptados para estos fines. Las mediciones deben incluir datos sobre la temperatura y condiciones de humedad en el momento de efectuarlas, tipo de terreno, profundidad de la medicin y concentraciones de sales en el suelo. Las pruebas reales de resistividad son imprescindibles debido a que no siempre se encuentra una resistividad uniforme en toda la zona debido a que por lo general las propiedades del terreno no son uniformes. Tpicamente hay varias capas con una resistividad diferente por lo que se deben realizar pruebas de resistividad para determinar si hay variaciones importantes de la resistividad con la profundidad que puedan ocasionar fallas durante la descarga de fallas a tierra. El nmero de lecturas tomadas debe ser ms elevada si las variaciones de resistividad del terreno son grandes, especialmente si las lecturas son tan altas como para sugerir un posible problema de seguridad. Si la resistividad vara apreciablemente con la profundidad, a menudo es deseable utilizar un mayor rango de distancia entre sondas con el fin de obtener una estimacin de la resistividad de las capas ms profundas. Esto es posible porque, a medida que aumenta la distancia entre sondas, la corriente de la fuente de prueba penetra ms y a ms distantes reas, en ambas direcciones, vertical y horizontal, independientemente de la cantidad de corriente est trayectoria es distorsionada debido a las diferentes condiciones del suelo [3]. La tabla 1.1 proporciona una idea de los valores medidos de resistividad.

Tabla 1.1 Resistividades medidas del terreno [1].

Tipo de terreno Valores de resistividad del terreno

[*m]

Tierra orgnica mojada 10

Tierra Hmeda 102

Tierra seca 103

Roca solida 104 La resistividad depende de la humedad del terreno, ya que en terrenos donde se presenta un bajo nivel de humedad se presenta una elevacin considerable en la resistividad del suelo. Para este tipo de casos donde hay un bajo ndice de humedad es necesario enterrar varillas verticales de suficiente longitud para llegar a las capas de mayor humedad e instalar las mallas de tierras a mayor profundidad con el propsito de que queden en contacto con el terreno de mayor humedad. Para evitar

CAPTULO I

19

la disminucin de la humedad en el terreno, es recomendable colocar grava o roca triturada en la superficie ya que impide la evaporacin de agua y reduce la magnitud de los choques elctricos debido a que la roca presenta alta resistividad.

1.3.1.1 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Los componentes de un terreno estn en funcin de la composicin de la tierra debido a que cambia de acuerdo al lugar ya que es heterognea y formada por capas tanto horizontal como vertical. El terreno al estar expuesto a cambios climticos modifica sus propiedades. Debido a los cambios anteriores la resistividad del terreno es variable de un lugar a otro por lo que se consideraran los siguientes factores. a) Las sales solubles y su concentracin. Debido a las sales y agua presentes

en un terreno la conductividad se ve afectada por un efecto electroltico por lo que la corriente circulara a travs del electrolito formado.

b) El estado higromtrico. Este hace referencia al grado de humedad con el que cuenta el terreno y cmo influye en la resistividad de este, ya que la humedad vara de acuerdo al clima, estacin del ao, la naturaleza del subsuelo y la profundidad considerada.

c) La temperatura. Esta presenta gran influencia ya que la resistividad del terreno aumenta a medida que desciende la temperatura debido a que si la temperatura desciende hasta el punto en que la cantidad de agua en el terreno alcanza su punto de congelacin se reduce el movimiento de los electrolitos, esto provocar el aumento de la resistencia considerablemente. Por lo general cuando el suelo alcanza temperaturas inferiores a los 0 C la resistividad aumenta de manera considerable. Por lo tanto en lugares donde se est expuesto a bajas temperaturas, los electrodos se debern enterrar a una profundidad que no alcance esa temperatura o se tendr en cuenta esta circunstancia en el clculo.

d) La granulometra. Este factor afecta de manera directa con respecto a la humedad debido a que esto se refiere al grado de retencin de la humedad y la calidad con que los electrodos hacen contacto con los granos del suelo.

e) La densidad. Afecta con respecto al grado de compactacin del terreno disminuyendo al aumentar este. Se procurar utilizar las capas de tierra ms conductoras, hacindose la colocacin de electrodos con el mayor cuidado posible en cuanto a la compactacin del terreno.

f) La geologa. Es la resultante de la resistividad correspondiente a las diferentes capas que constituyen el terreno [7].

CAPTULO I

20

1.3.1.2 CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO A TIERRA Debido a las variaciones de resistividad que presenta el terreno de acuerdo con su desplazamiento horizontal y vertical no es posible realizar el clculo preciso de distribucin de corrientes que lo recorren. Para el clculo de los sistemas de puesta a tierra es necesario tomar en cuenta las corrientes mximas de cortocircuito, para ello es necesario considerar lo siguiente:

1. Tomar en cuenta los tipos de fallas a tierras que se pudiesen presentar en el sistema de puesta a tierra para tomar en cuenta la que produzca el mximo flujo de corriente entre la malla del sistema de tierras y la tierra adyacente, por lo que es necesario considerar la mayor elevacin de potencial en el rea de la subestacin.

2. Determinar el valor efectivo de la corriente simtrica de la falla a tierra entre la malla de tierras y la tierra en el instante que empiece la falla.

1.3.2 TIPOS DE FALLAS A TIERRA

Para el clculo de los sistemas de puesta a tierra es necesario considerar el tipo de falla que se pudiese presentar en caso de falla, por lo que consideran las siguientes:

a) Falla monofsica a tierra b) Falla polifsica a tierra

Para analizar este tipo de fallas es necesario realizar un diagrama que represente la situacin real de los circuitos, el cual deber incluir todo hilo areo que est conectado al sistema de tierras o a los neutros de los transformadores como se muestra en los siguientes casos. Caso 1. La falla se presenta dentro del local de la estacin, por lo que la falla a tierra circula por el camino metlico suministrado por la red de tierra y ninguna corriente apreciable fluye en la tierra mostrado en la siguiente figura.

Figura 1.16 Falla dentro del local de la estacin.

CAPTULO I

21

Caso 2. La falla se presenta en el local de la estacin y el neutro est conectado a tierra en un punto remoto por lo que la corriente de falla fluye de la red de tierra hacia tierra como se muestra a en la figura 1.17.

Figura 1.17 Falla en el local de la estacin.

1.3.3 FACTORES DE CORRECCIN PARA EL CLCULO DE LAS

CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

Para clculo de las fallas mencionadas anteriormente es necesario considerar factores de correccin de la corriente de falla a tierra para clculo del sistema de puesta a tierra por lo que estos factores de correccin solo se utilizan en las siguientes situaciones:

a) Cuando se debe considerar el desplazamiento de la onda de corriente por corriente continua y los decrementos en las componentes transitorias de corriente directa y alterna de la corriente de falla.

b) Cuando es necesario considerar los aumentos de las corrientes de falla a tierra debidos al crecimiento del sistema elctrico.

1.3.3.1 FACTOR DE DECREMENTO Es ocasionado por el desplazamiento de la componente de corriente directa y por la atenuacin de las componentes transitorias de corriente alterna y directa de la corriente de falla. Como los cortocircuitos y las fallas a tierra ocurren en forma aleatoria con respecto a la onda de tensin y, debido al contacto puede presentarse en el momento que se inicia la falla, por lo que es necesario suponer que se presenta una onda de corriente de falla a tierra asimtrica desplazada durante el tiempo de choque elctrico.

CAPTULO I

22

Para fijar el umbral de fibrilacin es necesario basarse en corrientes sinusoidales simtricas de amplitud constante, para ello es necesario determinar la magnitud efectiva I de una corriente senoidal equivalente a la onda de falla asimtrica. Por lo que para determinar el valor de I se realiza mediante la siguiente ecuacin.

= 1

2 =

0

(1.15)

En la ecuacin anterior:

=1

1

2

0

(1.16)

Donde: I = Valor efectivo ajustado de la corriente de falla a tierra, en amperes para usarse en los clculos [A]. T = Duracin de la falla y choque elctrico en [s]. t = Tiempo a partir de la iniciacin de la falla en [s].

= Valor efectivo de la corriente de falla a tierra, al tiempo t en [A]. Df = factor de decremento [Adimensional]. Al aplicar las ecuaciones anteriores se obtienen los valores que a continuacin se muestran.

Tabla 1.2 Factores de decremento [1].

Duracin de la falla y del choque elctrico

Factor de decremento D

0.08 1.65

0.10 1.25

0.20 1.20

0.25 1.10

0.50 o ms 1.00

1.3.3.2 FACTOR DE SEGURIDAD POR CRECIMIENTO DE LA SUBESTACIN Este factor se toma en cuenta como medida de seguridad ya que con este se establece una estimacin futura del incremento de las corrientes de falla por el aumento de la capacidad del sistema elctrico o por interconexiones posteriores, esto se debe a que modificaciones posteriores a la red de tierra resultan costosas y generalmente se omiten, provocando inseguridad en el sistema. Este efecto se

CAPTULO I

23

puede tomar en cuenta al reducir la impedancia del sistema o aplicando otro valor de seguridad al valor calculado de la corriente de falla a tierra.

1.3.4 EFECTO DE LA RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRA

Para corregir el efecto generado por la resistencia de la red de tierra basta con calcular la corriente de falla a tierra despreciando las resistencias. Pero debido a esto pueden presentarse casos en donde la resistencia considerada para la resistencia de la red de tierras sea mucho mayor comparada con la resistencia del sistema que obliga a tomarla en cuenta. Para ello una vez que se determina la resistividad del terreno, la resistividad depende del rea del sistema de tierra que normalmente se conoce. Esta resistencia puede tomarse como:

=

4 (1.17)

Para una mejor estimacin, se puede determinar por la siguiente ecuacin:

=

4+

(1.18)

En donde:

R = Resistencia del sistema de tierras de la subestacin en []. = Resistividad media del terreno en ohm-metro en [m]. = Radio del crculo que tenga la misma rea que la ocupada por el sistema de tierras en [m]. L = Longitud total de los conductores del sistema de tierras en [m].

CAPTULO 2

24

CAPTULO II CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA SEGN LA NORMATIVIDAD VIGENTE

CAPTULO 2

CLCULO DE SISTEMAS DE

PUESTA A TIERRA SEGN LA

NORMATIVIDAD VIGENTE

CAPTULO 2

25

2.1 CRITERIOS PARA EL CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Existen dos principales objetivos de diseo a alcanzar por cualquier sistema de tierra en subestaciones elctricas en condiciones normales, as como en las condiciones de falla [3]. Estos objetivos son:

a) Proporcionar los medios para disipar las corrientes elctricas en la tierra sin

superar cualquier lmite de operacin de equipos.

b) Para asegurar que una persona en las proximidades de las instalaciones de

puesta a tierra no est expuesto al peligro de choque elctrico crtico.

El procedimiento de clculo del sistema de puesta a tierra en subestaciones elctricas tiene por objeto lograr la seguridad dentro e inmediatamente afuera de una subestacin evitando que la tensin de paso y tensin de contacto sean peligrosas. Por lo tanto, el procedimiento de diseo que se describe aqu se basa en garantizar la seguridad para tensiones de paso y tensiones de contacto peligrosas dentro e inmediatamente afuera de la zona cercada de la subestacin. Debido a que la tensin de la malla es generalmente la posible tensin de contacto dentro de la subestacin (excluyendo los potenciales de transferencia), la tensin de malla ser utilizada como la base de este diseo para este procedimiento. La tensin de paso es menos peligrosa que la tensin de malla, sin embargo, la seguridad dentro de la zona conectada a tierra se consigue con la ayuda de una capa superficial de alta resistividad (material de la superficie), que no se extiende fuera de la cerca, por esta razn la tensin de paso puede ser peligrosa. En cualquier caso, las tensiones de paso deben ser calculadas en comparacin con la tensin de paso permisible despus de que una red de tierra se ha diseado de forma que satisfaga la tensin de contacto permisible. La tensin de la malla no puede ser el peor de los casos de la tensin de contacto si las barras de tierra se encuentra cerca del permetro, o si el espaciado de malla cerca del permetro es pequeo.

2.2 PROCEDIMIENTO DE CLCULO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA El diagrama de flujo de la figura 2.1 ilustra las etapas consecutivas para el diseo de la red de tierra y posteriormente se describen detalladamente cada uno de los pasos que integran el proceso de clculo con sus respectivas ecuaciones en caso de existir.

CAPTULO 2

26

Figura 2.1 Diagrama de flujo del procedimiento de diseo.

CAPTULO 2

27

2.2.1 DATOS DE CAMPO

El mapa de la propiedad y plano de ubicacin general de la subestacin debe proporcionar estimaciones de la zona de conexin a tierra. La prueba de resistividad del terreno, determinar el perfil de la resistividad del suelo y el modelo de suelo necesario (es decir, uniforme o de dos capas del modelo) [3].

2.2.2 TAMAO DEL CONDUCTOR DE LA RED DE TIERRA

El tamao del conductor est determinado por la ecuacin 2.1 o en dado caso por la ecuacin 2.2. La corriente de falla 3I0 debe ser la corriente mxima esperada a futuro que ser conducida por un conductor de puesta a tierra en el sistema, y el tiempo, tc, debe reflejar el tiempo mximo de compensacin es posible [1].

2 =

(

1

(104

) (

+ +

))

(2.1)

=

(

197.4

(

) ( + +

))

(2.2)

En donde: A = Seccin transversal del conductor [mm2 o kcmil] I = Corriente rcm en [kA]

Tm = Temperatura mxima permisible [C]

Ta = Temperatura ambiente [C]

Tr = Temperatura de referencia para las constantes del material [C]

o = Coeficiente trmico de resistividad a 0 C [C]

r = Coeficiente trmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr [1/C]

r = Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr [-cm] tc = Tiempo de duracin de la corriente de falla [s]

TCAP = Factor de capacidad trmica por unidad de volumen [J/(cm3/ C]

Kf = 1/o o 1/r - Tr [C]

CAPTULO 2

28

Tabla 2.1 Constantes de materiales [11]

Descripcin

Factor a 20 C

Ks al 0 C (0 C)

Temperatura de fusin

Tm (C)

r 20 C (- cm)

Factor de capacidad trmica por unidad

de volumen (d) TCAP

[J/(cm3/C)]

Cobre recocido suave inmersin

0.00393 234 1083 1.72 3.42

Cobre comercial inmersin dura

0.00381 242 1084 1.78 3.42

Cobre revestido alambre de acero

0.00378 245 1084 4.40 3.85

Cable revestido alambre de acero

0.00378 245 1084 5.86 3.85

Cable revestido barra de acero

0.00378 245 1084 8.62 3.85

Aluminio grado EC

0.00403 228 657 2.86 2.56

Aluminio aleacin 5005

0.00353 263 652 3.22 2.60

Aluminio aleacin 6201

0.00347 268 654 3.28 2.60

Aluminio revestido alambre de acero

0.00360 258 657 8.48 3.58

Acero 1020 0.00160 605 1510 15.90 3.28

Acero revestido barra de acero

0.00160 605 1400 17.50 4.44

Zinc baado barra de acero

0.00320 293 419 20.10 3.93

Acero inoxidable 304

0.00130 749 1400 72.00 4.03

La corriente simtrica de malla es una parte de la corriente simtrica de falla a tierra que fluye de la malla de tierras hacia el terreno que la rodea, se determina con la siguiente ecuacin:

= (2.3)

CAPTULO 2

29

= 3 =3

(2.4)

En donde: Ig = Corriente simtrica de malla en [A]. If = Corriente simtrica de falla a tierra en valor rms en [A]. I0 = Corriente de secuencia cero en [A].

2.2.3 CRITERIO DE PASO Y CONTACTO

Las ecuaciones para calcular la tensin de paso (ecuacin 1.6) y la tensin de contacto (ecuacin 1.13) mximas permisibles por el cuerpo humano para personas con peso aproximado de 50 kg estn definidas en el subcaptulo 1.2.6. La eleccin del tiempo, ts, se basa en el criterio del ingeniero de diseo y debe ser el mximo tiempo hasta que la falla se libere, normalmente el valor se encuentra en el intervalo de 0.1 s a 1.0 s. Para calcular las tensiones correspondientes a personas con un peso aproximado a 70 kg, se utilizan las mismas ecuaciones con la consideracin de cambiar la constante 0.116 por 0.157 (ecuaciones 1.7 y 1.14). El clculo debe considerar el peso de 50 kg, por dar resultados ms conservadores. La ecuacin para determinar el factor de reduccin (Cs) debido a la correccin

realizada por la adicin de la capa superficial con resistividad : [1]

= 1 0.09 (1

)

2 + 0.09 (2.5)

2.2.4 DISEO INICIAL

Para el diseo preliminar se debe incluir una rejilla (retcula) la cual estar formada por conductores que permitirn el acceso al aterrizamiento de los equipos y estructuras. La separacin inicial estimada de los conductores (D), as como la ubicacin de los electrodos (varillas) de tierra, debern tener como base la corriente IG y el rea de la subestacin que ser aterrizada. El cable que forme el permetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el rea en que se encuentra el equipo de la subestacin, con ello se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial en el rea y en las terminales cercanas. La malla debe estar constituida por conductores colocados paralela y perpendicularmente, con el espaciamiento requerido conforme al clculo de su resistencia elctrica y de las tensiones de paso y contacto considerados en el diseo

CAPTULO 2

30

de la red de tierra. Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras o equipos para facilitar la conexin a tierra de los mismos. En cada cruce de conductores de la malla, stos deben conectarse rgidamente mediante conectores y en donde proceda a varillas para tierra. Los parmetros fsicos de la malla de tierra se basan en limitaciones tanto fsicas como econmicas presentes en la instalacin de la propia malla. Por ejemplo una limitacin fsica se encuentra en la excavacin y relleno de las sepas para enterrar el conductor, por lo que el espaciamiento de la malla de tierras debe de ser de 2 m en adelante, los espaciamientos tpicos van de 3 m a 15 m. No existe una ecuacin para determinar el nmero ptimo de varillas de tierra, sin embargo para que las varillas de tierra tengan una disipacin efectiva de corriente, stas deben instalarse con una separacin mnima de 2 veces su longitud. Las ecuaciones para el clculo del sistema de tierra, contemplan profundidades que van de 0.3 m a 1.5 m. Es importante enterrar la malla a la profundidad de la capa de menor resistividad y que al mismo tiempo se encuentre dentro del intervalo antes mencionado, tomando en cuenta aspectos econmicos relacionados con el material, excavacin y relleno, para el diseo de la malla se considera nicamente conductor enterrado con o sin varillas de tierra. En el diseo inicial debe considerarse el colocar varillas de tierra en los extremos de la rejilla y en los puntos de unin en el permetro, se deben tambin colocar varillas de tierra para equipos como apartarrayos, interruptores y transformadores de potencia. En suelos con alta resistividad, es conveniente utilizar varillas largas instaladas en los puntos de unin de la rejilla, y deben emplearse dos conexiones a tierra en diferentes puntos de la rejilla en donde puedan ocurrir altas concentraciones de corriente, como en la conexin del neutro de tierra de los generadores y transformadores, bancos de capacitores, interruptores y apartarrayos. Para los conductores tpicos que van desde 2/0 AWG (67 mm2) a 500 kcmil (253 mm2), el dimetro del conductor tiene un efecto despreciable sobre la tensin de la malla. El rea de la tierra del sistema es el factor geomtrico ms importante en la determinacin de la resistencia de la rejilla. Cuanto mayor sea el rea de tierra, menor es la resistencia de la red y, por lo tanto, menor es la GPR [1].

2.2.5 RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRA

La estimacin de la resistencia de tierra preliminar en el sistema de tierras, debe proveer valores muy bajos [5].

Para subestaciones de potencia en alta tensin a nivel de transmisin y de subtransmisin, el valor de la resistencia de la malla de tierra debe ser

alrededor de 1 o menor.

CAPTULO 2

31

Para subestaciones de potencia de media tensin, el valor de la resistencia

de tierra debe ser entre 1 a 4 .

Para subestaciones de distribucin de media tensin, el valor de la

resistencia de tierra debe ser como mximo de 5 . El valor de la resistencia de tierra puede estimarse mediante las ecuaciones siguientes:

a) Para profundidades de la red menores de 0.25 m.

=

4

+

(2.6)

b) Para profundidades entre 0.25 m y 2.5 m se requiere una correccin por

profundidad.

=

[ 1

+

1

20(

1 +1

1 + 20 )

]

(2.7)

c) Considerando la rejilla con varillas de tierra. Es decir el sistema de tierras

consta de: conductores horizontales (rejilla) y electrodos (varillas) verticales, por lo tanto la resistencia estara dada por:

=12 12

2

1 + 2 212 (2.8)

Donde:

R1 = Resistencia de los conductores de la rejilla (malla) []

R2 = Resistencia de todas las varillas de tierra [] R12 = Resistencia mutua entre el grupo de conductores y el grupo de varillas. En la ecuacin 2.8, R1, R2 y R12 se calculan con las siguientes ecuaciones:

1 = (11

) ( (21

) + 1 (1

) 2) (2.9)

2 = (

22) ( (

822

) 1 + 21 (2

) ( 1)

2) (2.10)

12 = (1

) ( (212

) + 1 (1

) 2 + 1) (2.11)

En donde:

CAPTULO 2

32

1 = Resistividad del terreno con los conductores a una profundidad h, hacia abajo

[-m].

a = Resistividad aparente del terreno vista por la varilla de tierra [-m]. h = Espesor de la primera capa del terreno [m].

2 = Resistividad del terreno desde la profundidad H, hacia abajo [-m]. l1 = Longitud total de los conductores de la rejilla [m]. l2 = Longitud promedio de la varilla de tierra [m]. h = Profundidad de la rejilla [m]. h = Coeficiente de la profundidad de la rejilla [m]. A = rea cubierta por la red con dimensiones a x b [m2]. n = Nmero de varillas de tierras localizadas en el rea [Adimensional]. d1 = dimetro del conductor de la red [m]. d2 = dimetro de las varillas de tierra [m]. a = ancho de la rejilla [m]. b = largo de la rejilla [m]. Los factores k1 y k2 son seleccionados de la las curvas mostradas en las siguientes figuras.

Figura 2.2 Coeficiente k1.

CAPTULO 2

33

Figura 2.3 Coeficiente k2.

Las ecuaciones anteriores son vlidas para suelos de dos capas, una superior de espesor h con un cierto valor de resistividad y por donde penetran las varillas. Y una inferior de ms baja resistividad con la cual las varillas quedan en contacto. En este

caso para 1 2, la malla se localiza en la capa de resistividad 1, pero las varillas estn en contacto tanto con la capa de resistividad p1, como con la capa de

resistividad p2, por lo que R2 y R12 se calculan con una resistividad aparente a vistas por las varillas de tierra:

=2(11)

2( ) + 1(2 + ) (2.12)

Para suelos con resistividad uniforme:

1 = 2 (2.13)

Si la diferencia entre 1 y 2 no es muy grande, de preferencia 2 no menor que

0.21, y el espesor de la capa superior H es al menos 0.1b, las ecuaciones anteriores son bastante exactas para la mayora de los clculos [5].

2.2.6 CORRIENTE DE LA RED DE TIERRA

La corriente que puede circular en una malla de tierras en casos de falla, se conoce como corriente mxima de malla [5], la cual se determina con la ecuacin siguiente:

= (2.14)

CAPTULO 2

34

= 1 +

(1 2 ) (2.15)

En donde: IG = Corriente mxima de malla [A]. Ig = Corriente simtrica de malla (valor rcm) [A]. Df = Factor de decremento para el tiempo de duracin de la falla (tc), que est en funcin del valor de la relacin de reactancia (X) y de resistencia (R) en el punto de falla, la tabla 2.3 muestra valores de Df para diferentes valores de X/R. Si el tiempo de duracin de la corriente es mayor o igual a 1 s o la relacin X/R en el punto de localizacin de la falla es menor que 5, el factor de decremento puede despreciarse, es decir Df = 1. tf = Duracin de la falla [s] Ta = Constante de tiempo subtransitoria [s], se calcula con la siguiente ecuacin:

="

(2.16)

Tabla 2.2 Valores tpicos de factor de decremento Df.[1]

La seleccin de tf deber reflejar un tiempo rpido de liberacin de falla en subestaciones de transmisin y tiempos lentos de liberacin de falla para subestaciones de distribucin. Valores tpicos de tf, se recomiendan entre 0.25 a 1.0 s, un valor usual es 0.5 s. Con el objetivo de evitar un sobre dimensionamiento del sistema de tierra, para el diseo de la rejilla se utiliza nicamente la porcin de la corriente de falla 3Io que fluye a travs de la malla a la tierra remota. Sin embargo la corriente mxima de malla IG debe considerar la peor localizacin y tipo de falla, el factor de decremento y cualquier expansin futura del sistema.

Duracin de falla tf

Factor de decremento, Df

Segundos Ciclos A 60 Hz X/R = 10 X/R = 20 X/R = 30 X/R = 40

0.00833 0,5 1,576 1,648 1,675 1,688

0.05 3 1,232 1,378 1,462 1,515

0.10 6 1,125 1,232 1,316 1,378

0.20 12 1,064 1,125 1,181 1,232

0.30 18 1,043 1,085 1,125 1,163

0.40 24 1,033 1,064 1,095 1,125

0.50 30 1,026 1,052 1,077 1,101

0.75 45 1,018 1,035 1,052 1,068

1.00 60 1,013 1,026 1,039 1,052

CAPTULO 2

35

2.2.7 EVALUACIN DE LA ELEVACIN DE POTENCIAL DE TIERRA

(GPR)

Si la GPR del diseo preliminar est por debajo de la tensin de contacto tolerable, no es necesario mayor anlisis, nicamente se requieren conductores adicionales para la puesta a tierra de los equipos elctricos, pero si esta condicin no se cumple, es necesario seguir con el proceso hasta que se cumpla la condicin [5]. Para determinar la elevacin del potencial de tierra (GPR), se aplica la siguiente ecuacin:

= (2.18)

2.2.8 CLCULO DE TENSIN DE PASO Y TENSIN DE CONTACTO

El clculo de las tensiones de paso de malla y de la red de tierra se realiza el siguiente proceso: Clculo de la Tensin de Malla La ecuacin para calcular la tensin de malla es la siguiente:

=

(2.19)

IG/Lm= Relacin de la corriente promedio por unidad de longitud de conductor efectivamente enterrado en el sistema de tierra. Ecuacin para calcular Km:

=1

2[ (

2

16+

(+2)2

8

4) +

(

8

(21))] (2.20)

n = Nmero de conductores equivalentes en cualquier direccin. Clculo de factor de ponderacin correctiva que hace hincapi en los efectos de los conductores internos en la esquina de la malla (Kii): Kii=1 para mallas con varillas para tierra a lo largo de su permetro y/o en las esquinas, as como para mallas con varillas a lo largo del permetro y dentro del rea de la malla.

CAPTULO 2

36

=1

(2)2

(2.21)

La ecuacin anterior es para mallas sin varillas para tierra, o con algunas varillas dentro del rea de la malla. Clculo de factor de ponderacin correctiva que hace hincapi en los efectos de la profundidad de la red (Kh):

= 1 +

(2.22)

En donde: ho = Profundidad de referencia y es igual a 1 metro en [m]. h= Profundidad de los conductores de la malla en [m]. Clculo del nmero efectivo de conductores paralelos en una red (n):

= (2.23)

=2

(2.24)

La ecuacin 2.24 es para mallas cuadradas, rectangulares y en forma de L y Lp es la longitud de conductores en la periferia de la rejilla, dada en metros. nb=1 Para mallas cuadradas. Para cualquier otro caso.

=

4 (2.25)

nc=1 para rejillas cuadradas y rectangulares. nd=1 para rejillas cuadradas, rectangulares o en forma de L . Para redes de tierra con varillas de tierra en las esquinas, as como a lo largo del permetro y distribuidas en la rejilla, la longitud efectiva del conductor Lm es:

CAPTULO 2

37

= +

[

1.55 + 1.22

(

2 +

2

)

]

(2.26)

Clculo de factor de correccin para la geometra de la red (Ki):

= 0.644 + 0.148 (2.27)

Donde:

= nmero efectivo de conductores paralelos en una red [Adimensional]

Clculo de la tensin de paso. La ecuacin para calcular la tensin de paso es la siguiente:

=

(2.28)

Para mallas con o sin varillas de tierra, la longitud efectiva Ls de conductores enterrados es:

= 0.75 + 0.85 (2.29)

Para profundidades usuales de rejillas entre 0,25 h 2,5 m, la constante Ks se obtiene como:

=1

[

1

2 +

1

+ +

1

(1 0.5(2))] (2.30)

2.2.9 EVALUACIN DE TENSIN DE MALLA

Si la tensin de malla calculada es menor que la tensin de contacto tolerable por el cuerpo humano, el diseo puede darse por concluido. De no ser as el diseo tiene que ser revisado (vase paso 11).

CAPTULO 2

38

2.2.10 EVALUACIN DE LA TENSIN DE PASO

Si ambas, la tensin de paso y de malla calculadas con el diseo preliminar son menores que las tensiones de paso y contacto tolerables por el cuerpo humano, el diseo necesita nicamente proporcionar la puesta a tierra de los equipos.

2.2.11 MODIFICACIN DEL DISEO INICIAL

Si se exceden los lmites de las tensiones de paso o de contacto, se requiere que el diseo del sistema de tierra se revise. Estas revisiones pueden incluir el incrementar el rea para el sistema de tierra, espaciamientos adicionales ms pequeos entre conductores y varillas para tierra.

2.2.12 DETALLES DEL DISEO.

Despus de cumplir con los requerimientos de las tensiones de paso y de malla, se pueden requerir conductores adicionales de puesta a tierra para los equipos y algunas varillas para tierra. Los conductores adicionales a la rejilla se requieren cuando el diseo de la malla no incluye conductores cercanos al equipo que ser aterrizado. Las varillas para tierra adicionales pueden colocarse en la base de los apartarrayos, transformadores de neutro y otros equipos principales. El diseo final debe revisarse con el propsito de eliminar peligros debido a potenciales transferidos y otros peligros asociados.

CAPTULO 3

39

CAPTULO III MODIFICACIN DE LA METODOLOGA VIGENTE PARA CALCULAR EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS DE GRAN ALTURA

CAPTULO 3

MODIFICACIN DE LA

METODOLOGA VIGENTE PARA

CALCULAR EL SISTEMA DE

PUESTA A TIERRA EN EDIFICIOS

DE GRAN ALTURA

CAPTULO 3

40

El clculo completo de un sistema de puesta a tierra, est compuesto de un gran nmero de variables a considerar y calcular, sin embargo dentro de ellas no todas tienen una relacin directa con la impedancia de la malla ni con ninguna impedancia en el sistema. Existen otras en las cuales aunque existen valores de impedancia de malla o del sistema, el resultado de las mismas no se ve afectado de ninguna manera por la suma de la impedancia de un conductor extra. Es por ello que se debe revisar la metodologa de clculo del sistema de tierra completo y determinar aquellas ecuaciones donde la impedancia agregada por los conductores que conecten la subestacin en determinado punto de un edificio con el sistema de puesta a tierra, tendr un impacto sobre los resultados obtenidos.

3.1 ANLISIS DE LAS ECUACIONES EN LA METODOLOGA VIGENTE. Haciendo referencia a la figura 2.1, en la cual se muestra el proceso de clculo para un sistema tradicional de puesta a tierra, se puede observar que el primer paso del proceso es contar con valores de campo. Al ser valores que se obtienen mediante mediciones fsicas en el terreno, la consideracin de cualquier otra magnitud fsica o elctrica es intrascendente, en realidad dentro de la metodologa vigente no se hace referencia a modelos matemticos para su obtencin. El siguiente paso a considerar es la seccin transversal de los conductores, la cual est calculada nuevamente en funcin de variables conocidas por el diseador del sistema como el tiempo de liberacin de la falla y el valor de la misma, as como la elevacin de temperatura y las constantes del material conductor, como se muestra en las ecuaciones 3.1 y 3.2, las cuales se utilizan para el clculo de la seccin transversal de los conductores en mm2 y kcmil.

A partir de esta rea, se selecciona el calibre del conductor y en base a est, se puede determinar la impedancia del mismo, la cual ser el parmetro agregado considerando la distancia de los conductores que originalmente no existen en subestaciones instaladas a nivel de terreno natural. El prximo paso de diseo es calcular las tensiones de paso y contacto o toque, considerando individuos de 50 kg y 70 kg. Estas tensiones servirn como marco de referencia para determinar los potenciales mximos que se presentarn en el cuerpo humano en caso de falla y la corriente que circular a travs del cuerpo humano debida a las tensiones mencionadas. Las ecuaciones para el clculo de estas tensiones, estn relacionados nicamente con el valor de resistencia asignado por convencin al cuerpo humano, el factor de reduccin de potencial por la capa superficial de suelo, que define la reduccin de potencial que se presenta al tener una superficie de dos capas diferentes de suelo con diferentes resistividades y la corriente mxima tolerable por el cuerpo humano en relacin con el tiempo de liberacin de la misma. Como se muestra en las ecuaciones 1.6, 1.7, 1.13 y 114, correspondientes a la tensin de paso y tensin de

CAPTULO 3

41

toque para individuos de 50 kg y 70 kg respectivamente. Estudios realizados demuestran que estas tensiones son calculadas con la suficiente precisin tanto manualmente como por diversos paquetes de software actualmente, y puesto que no incluyen en ninguna de sus variables valores de impedancia se consideraran correctas [13]. Una vez que se determina la resistencia de la red, el siguiente paso del procedimiento es el clculo de la corriente mxima que se presentara a travs de la red. Las variables que intervienen en este clculo no tienen ninguna relacin con las longitudes de los conductores o con la impedancia de las mismas, los valores de los cuales depende este factor son el tiempo de liberacin de la falla y una constante de tiempo que relaciona la inductancia y la resistencia a la frecuencia del sistema.

3.2 ECUACIONES DE LA METODOLOGA CON IMPACTO POR LA LONGITUD DE LOS CONDUCTORES. Para el diseo de sistemas de puesta a tierra en edificios de gran altura, es necesario que se consideren aquellos elementos extra que se requieren en comparacin al diseo tradicional de un sistema de puesta a tierra. El elemento extra requerido, son los conductores para la conexin a tierra del equipo en las subestaciones que se encuentran en niveles alejados de la red, ya que tienen un valor de impedancia determinado que si no es considerado puede arrojar errores en el clculo de valores esenciales para garantizar la seguridad del equipo y personal. Despus de calcular las tensiones de paso y contacto permisibles por el cuerpo humano se comienza con la parte del diseo como tal, pues se debe proponer la red. En este paso el criterio del diseador cobra gran importancia, pues dependern de l las caractersticas que presentara la red al estar construida. Generalmente para un sistema de tierra en una subestacin de potencia a nivel distribucin se disea el sistema de tierra con una red o rejilla construida con el conductor que se ha calculado previamente el calibre y los electrodos en contacto con la capa inferior de suelo. El diseo inicial de la forma de la red permitir determinar el nmero de conductores que compondrn las mallas tanto en el eje x como en el y, lo cual arroja como resultado la longitud total del conductor que compone la red; sin embargo este valor considera tambin la longitud de los electrodos si es que utilizan electrodos de tipo varilla o jabalina. Tambin en este diseo se determinan la longitud que existir entre los conductores que componen la malla, este valor depender de las dimensin que tendr el rea de la malla.

CAPTULO 3

42

Estos valores, la longitud total del conductor que componen la red, los electrodos y sus caractersticas como longitud, dimetro y resistencia, determinaran un valor vital del sistema total; La resistencia de la red. Este valor de resistencia debe ser menor de 5 en el caso de una subestacin de distribucin, que son el tipo de subestaciones que se encuentran en edificios residenciales y comerciales. Es en esta ecuacin donde se debe considerar la longitud que se est agregando debida al conductor que conecta la subestacin presente a un nivel superior que el de la red (conductor de puesta a tierra). Estos conductores deben ser considerados como parte de la red, pues soportarn la intensidad neta de corriente de falla desde el punto de la misma hasta la red y la transportar a tierra. Esto indica que la impedancia de los conductores se encuentra en serie con la resistencia de la red como se puede apreciar en la figura 3.1.

Figura 3.1 Circuito equivalente de la resistencia de red, conductores y cuerpo humano.

3.2.1 RESISTENCIA DE LA RED

Como se puede apreciar en la ecuacin 2.7 correspondiente al clculo de la resistencia de la red, la longitud LT considera nicamente la longitud de los conductores colocados de manera horizontal sobre el terreno. Sin embargo como se mencion anteriormente la red ha aumentado la longitud de los conductores que la componen debida a los conductores dispuestos manera vertical que la conectan con la subestacin ubicada en un punto superior de la estructura, como se muestra en la figura 3.2.

CAPTULO 3

43

Figura 3.2 Longitud del conductor vertical de puesta a tierra.

Adems de esto, los electrodos agregan tambin longitud a la red, pues si bien no son el mismo tipo de conductores empleados para la construccin de la misma, son elementos conductores de la corriente de falla y presentan impedancia por unidad de longitud al igual que todos los conductores elctricos, as que debe ser considerada. En la ecuacin se considera la inversa de la longitud total de los conductores de la red por lo que se debe sumar a esta la longitud de los conductores verticales y los electrodos. Haciendo estas correcciones a la ecuacin la expresin para calcular la resistencia de la red se convierte en:

=

[

1

+ + +

1

20(

1 +1

1 + 20 )

]

(3.1)

Don