Puestas a Tierras

PROYECTO DE NORMA TCNICA COLOMBIANA NTC DE 389/03

CONTENIDO

Pgina INTRODUCCIN........................................................................................................................ CAPTULO 1. OBJETO.............................................................................................................. CAPTULO 2. DEFINICIONES................................................................................................... CAPTULO 3. GENERALIDADES ............................................................................................. 3.1 OBJETIVOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA............................................... 3.2 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA ............................................. 3.3 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 3.4 TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 3.5 REGMENES DE CONEXIN A TIERRA (RCT) CAPTULO 4. CRITERIOS DE SEGURIDAD ............................................................................ 4.1 INCIDENCIA DE LA CORRIENTE ELCTRICA EN SERES VIVOS 4.2 CLCULO DE TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO 4.3 EFECTO DE UNA CAPA SUPERFICIAL O GRAVILLA 4.4 CRITERIO DE TENSIN TOLERABLE CAPTULO 5. MEDICIN Y MODELAMIENTO DEL SUELO 5.1 MEDIDAS DE RESISTIVIDAD CAPTULO 6. DISEO 6.1 DISEO SEGN NORMA IEEE-80


Pgina 6.2 CONFIGURACIONES NO SIMTRICAS 6.3 CONFIGURACIONES TPICAS CAPITULO 7. MATERIALES 7.1 MATERIALES RECOMENDADOS 7.2 ELECTRODOS DE PUESTA A TIERRA 7.3 CONDUCTORES DE PUESTA A TIERRA 7.5 PUENTES EQUIPOTENCIALES 7.6 CONEXIONES 7.7 BARRAJES 7.8 CAJAS DE INSPECCIN 7.9 MATERIAL TRITURADO O CAPA SUPERFICIAL 7.10 CONSIDERACIONES SOBRE LA CORROSIN CAPTULO 8. CONSTRUCCIN 8.1 CONDUCTORES 8.2 PUENTES DE CONEXIN EQUIPOTENCIAL 8.3 ELECTRODOS 8.4 CONEXIN EXOTRMICA CAPTULO 9. MEDICIONES EN UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA 9.1 MEDICIN DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA 9.2 MEDICIN DE TENSIONES DE PASO Y CONTACTO 9.3 EQUIPOS DE MEDICIN 9.4 MEDICIN DE EQUIPOTENCIALIDAD


Pgina CAPTULO 10. MANTENIMIENTO DE UN SPT 10.1 INSPECCIONES 10.2 PRUEBAS 10.3 REGISTROS DE LA INSPECCIN 10.4 DOCUMENTACIN DEL MANTENIMIENTO CAPTULO 11. MEJORAMIENTO DE PUESTA A TIERRA 11.1 PROCEDIMIENTOS ACEPTADOS Y NO ACEPTADOS 11.2 CARACTERSTICAS DE SUELOS ARTIFICIALES 11.3 MODELAMIENTO DE UNA PUESTA A TIERRA CON TRATAMIENTO 11.4 VERIFICACIN DEL MEJORAMIENTO BIBLIOGRAFA ANEXOS FIGURAS Figura 1. SPT con puestas a tierra dedicadas e interconectadas equipotencialmente Figura 2. Una sola puesta a tierra para todas las necesidades (prohibido) Figura 3. Puestas a tierra separadas o independientes (prohibido) Figura 4. Componentes bsicos de un SPT. Figura 5. Tipos de conexiones Figura 6. Sistema TN-C Figura 7. Sistema TN-S Figura 8. TN-C-S (PNB)


Pgina Figura 9. TN-C-S (PME) Figura 10. Sistema TT Figura 11. Sistema IT Figura 12. Coexistencia de diversos regmenes de conexin a tierra Figura 13. Trasformador zig-zag sin secundario Figura 14. Relacin Corriente vs. tiempo Figura 15. Impedancias del circuito de tensin de contacto Figura 16. Exposicin a la tensin de contacto Figura 17. Esquema de tensin de paso Figura 18. Circuito para la tensin de paso Figura 19. Cs vs. Hs Figura 20. Condiciones de riesgo Figura 21. Condicin del potencial transferido Figura 22. Mtodo de Wenner Figura 23. Mtodo de Schlumberger Figura 24. Mtodo segn el dispositivo dipolo-dipolo Figura 25. Modelo de dos capas Figura 26. Mtodo grfico de Sunde Figura 27. Grfica de resistividad Tipo de suelo 1 Figura 28. Modelo de capas verticales Figura 29. Diagrama de Bloques de Diseo segn IEEE-80 Figura 30. Coeficiente de reduccin - Cs Figura 31. Diagrama de Bloques del Diseo de Puestas a Tierra


Pgina Figura 32. Circuito equivalente Thevenin para recalcular la corriente de falla Figura 33. Tensiones de paso y de contacto para electrodos tipo varilla Figura 34. Tensiones de paso y contacto para diferentes contrapesos Figura 35. Tensiones de paso y contacto para estrella de tres puntas Figura 36. Tensiones de paso y contacto para estrella de cuatro puntas Figura 37. Conexiones mecnicas y exotrmica Figura 38. Barraje equipotencial Figura 39. Caja de inspeccin Figura 40. Mtodo de los dos puntos Figura 41. Mtodo de los tres puntos Figura 42. Mtodo de cada de potencial Figura 43. Esquema para la medicin de tensin de paso Figura 44. Esquema para la medicin de tensin de contacto Figura 45. Principio de medicin Figura 46. TABLAS Tabla 1. Rangos de corriente y efectos Tabla 2. Valores de resistividad aparente Tabla 3 Transformacin de Box-Cox Tabla 4. Factores r, r, K0, TCAP Tabla 5. Valores mximos sugeridos de resistencia de puesta a tierra Tabla 6. Configuraciones tpicas de electrodos


Pgina Tabla 7. Metodologa de evaluacin de la agresividad de los suelos Tabla 8. Materiales para sistemas de puesta a tierra y sus condiciones de uso. Tabla 9. Requisitos para electrodos de puesta a tierra Tabla 10. Calibre del conductor a Tierra Tabla 11. Constantes de materiales Tabla 12. Calibre mnimo de los conductores de puesta a tierra de equipos Tabla 13. Tabla de electronegatividad Tabla 14. Torque de apriete para tornillo Tabla 15. Mximo perodo entre inspecciones de un SPT Tabla 16. Umbrales de concentracin de metales que se consideran excesivos (mg /Kg)


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SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA (SPT) INTRODUCCIN Esta norma fue preparada por el Comit Tcnico de normalizacin Nacional 128 Instalaciones elctricas, en su grupo de trabajo de Expertos en Sistemas de Puesta a Tierra, con la intencin de asistir a los ingenieros en la toma de decisiones, respecto a un tema que por su naturaleza ha permitido diversos enfoques. Ante la importancia de los sistemas de puesta a tierra para la seguridad y el correcto funcionamiento de las instalaciones elctricas, ICONTEC identific la necesidad de desarrollar una norma tcnica especfica sobre este tema, que ha sido abordado parcialmente en otras normas como NTC 4552, NTC 2050, NTC 4628, NTC 4171, NTC 2155, NTC 2206 y el artculo 15 del Reglamento Tcnico de Instalaciones Elctricas (RETIE). Como cdigo de buenas prcticas que pretende ser, esta Norma Tcnica Colombiana debe tomarse como una gua actualizada en sus recomendaciones. Acatar esta norma no confiere inmunidad en cuanto a obligaciones legales, no se debe citar como si fuera una especificacin y se debe tener especial cuidado para verificar que las declaraciones de cumplimiento exigidas en el RETIE estn de acuerdo con l por su carcter de obligatorio. En esta norma se desarrollaron los diversos aspectos de los sistemas de puesta a tierra para consolidar el avance tecnolgico y el desarrollo del tema mismo. Este documento se divide en 11 Captulos, buscando una secuencia en el manejo de la temtica.


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CAPTULO 1. OBJETO Establecer los principios generales de diseo, construccin, medicin y mantenimiento de algunos Sistemas de Puesta a Tierra (SPT) para ofrecer seguridad a personas y equipos en las instalaciones elctricas. Esta norma aplica a: SPT permanentes en media y alta tensin de corriente alterna de baja frecuencia, tales como subestaciones, lneas de transmisin, circuitos de distribucin, plantas de generacin. Parcialmente se aplica a SPT en baja tensin cubiertos por la NTC 2050. Esta norma no aplica a: - Barcos, aeronaves o instalaciones costa afuera. - SPT temporales utilizados para mantenimiento de redes. - SPT para redes elctricas de corriente continua. - SPT para seales de alta frecuencia, como los rayos.


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CAPTULO 2. DEFINICIONES 2.1 Apantallamiento (Shielding). Elementos metlicos que se instalan alrededor de dispositivos que se desean proteger contra los efectos de una perturbacin electromagntica. 2.2 Baja frecuencia. Para efectos de esta norma, se toma como menor a 9 kHz. 2.3 Barraje equipotencial-BE (Ground Busbar, Ground Bar, Ground Bus o Grounding Block). Conductor de tierra colectiva, usualmente una barra de cobre o un cable que permite la unin de dos o ms conductores y garantiza el mismo potencial. 2.4 Cable apantallado. Cable con una envoltura conductora que permite controlar fenmenos electromagnticos inducidos. Es lo mismo que cable blindado. 2.5 Circuito dedicado. Es aquel que tiene el conductor del neutro exclusivo y tiene uno o ms dispositivos conectados a ste, adems posee un conductor de puesta a tierra de equipo que puede o no ser compartido. 2.6 Circuito en modo comn. Es un lazo cerrado de corriente formado por conductores activos y conductores del sistema de puesta a tierra. Incluye el cable, el aparato y las partes cercanas del sistema de puesta a tierra. 2.7 Circuito en modo diferencial. Es un lazo cerrado de corriente formado por conductores activos nicamente. Incluye el cable y el aparato conectado en ambos extremos. 2.8 Conductividad elctrica (). Es el poder conductor especfico de una sustancia. Es el recproco o inverso de la resistividad. Su unidad es el siemens. 2.9 Conductor de proteccin o de puesta a tierra de equipo (Grounding Equipment Conductor). Conductor usado para conectar partes metlicas que no transportan corriente, como canalizaciones y gabinetes con el punto neutro o con el conductor del electrodo de puesta a tierra. 2.10 Conductor a tierra (Grounding Electrode Conductor). Tambin llamado Conductor del electrodo de Puesta a tierra, es aquel que conecta un sistema o circuito elctrico intencionalmente a una puesta a tierra. 2.11 Conector. Dispositivo que une dos o ms conductores con el objeto de suministrar un camino elctrico continuo. 2.12 Conexin de puesta a tierra (Connection, Grounding Terminall o Ground Clamp). Soldadura exotrmica, lengeta certificada, conector a presin o de cua certificados o abrazadera certificada; destinados a asegurar, por medio de una conexin especialmente diseada, dos o ms componentes de un sistema de puesta a tierra. 2.13 Conexin equipotencial (Equipotential Bonding). Conexin elctrica entre dos o ms puntos, de tal manera, que ante el paso de una corriente quedan esencialmente al mismo potencial. 2.14 Contacto directo. Es el contacto de personas o animales con conductores activos de una instalacin elctrica.


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2.15 Contacto elctrico. Accin de unir dos elementos con el fin de cerrar un circuito. Puede ser de frotamiento, de rodillo, lquido o de presin. 2.16 Contacto indirecto. Es el contacto de personas o animales con elementos puestos accidentalmente bajo tensin o el contacto con una parte activa, a travs de un medio conductor. 2.17 Corriente a tierra. Es una corriente que fluye hacia o desde el terreno o su equivalente. 2.18 Corrientes espurias (Spurious o Straight o Telluric Currents). Corrientes que circulan en el terreno o en conductores conectados a dos puntos puestos a tierra, sometidos a una diferencia de potencial. 2.19 Corriente de falla a tierra. Aquella corriente que se presenta durante una falla y que fluye por la puesta a tierra. 2.20 Corrosin. Ataque a una materia y destruccin progresiva de la misma, mediante una accin qumica, electroqumica o bacteriana. 2.21 Cortocircuito (Short Circuit). Fenmeno elctrico ocasionado por una unin accidental o intencional de muy baja resistencia entre dos o ms puntos de diferente potencial de un mismo circuito. 2.22 Dispositivo de proteccin contra sobretensiones transitorias - DPS (Surge Protective Device). Dispositivo diseado para limitar las sobretensiones transitorias y conducir las corrientes de impulso. Contiene al menos un elemento no lineal. No es correcto llamarlo pararrayos. 2.23 Electrocucin. Paso de corriente cuya consecuencia es la muerte. 2.24 Electrizar. Producir la electricidad en un cuerpo o comunicrsela. 2.25 Electrodo de puesta a tierra (Grounding Electrode). Conductor o grupo de ellos en contacto con el suelo, para proporcionar una conexin elctrica con el terreno. Puede ser una varilla, un tubo, una placa o un cable, resistentes a la humedad y a la accin qumica del terreno. 2.26 Mximo potencial de tierra -G.P.R (Ground Potential Rise). Mxima elevacin del potencial de una puesta a tierra con respecto a otra remota, cuando fluye a travs de la primera una corriente desde o hacia el terreno. 2.27 Equipotencialidad. Estado real de interconexin elctrica, determinado por mediciones, entre partes conductivas. 2.28 Equipotencializacin. Concepto que debe ser aplicado ampliamente en SPT. Indica que todos los puntos deben estar aproximadamente al mismo potencial. 2.29 Equipotencializar (Bonding). Es el acto, proceso, prctica o accin de conectar partes conductivas de las instalaciones, equipos o sistemas entre s o a un sistema de puesta a tierra, mediante una baja impedancia, para que la diferencia de potencial sea mnima entre los puntos interconectados. 2.30 Impedancia limitadora. Es una resistencia o una reactancia de potencia, dimensionada adecuadamente para conectar el punto neutro del transformador (o generador) y el punto de


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puesta a tierra. Su funcin es proteger el equipo y la instalacin, al limitar la corriente de cortocircuito. 2.31 Interruptor de falla a tierra (Ground Fault Circuit Interrupter GFCI or Residual Current Operated devices-RCD). Interruptor diferencial accionado por corrientes de fuga a tierra, cuya funcin es interrumpir la corriente hacia la carga cuando se excede algn valor determinado por la soportabilidad de las personas. 2.32 Lazo de tierra (Ground Loop). Es una trayectoria formada por dos o ms equipos interconectados a un mismo sistema de puesta a tierra, con probabilidad de causar interferencia. 2.33 Malla de alta frecuencia (Signal Reference Grid-SRG). Malla de conductores que se instala bajo el piso de centros de cmputo, para apantallar seales de alta frecuencia y evitar interferencias electromagnticas. 2.34 Malla de puesta a tierra. Sistema de electrodos horizontales conformado por conductores desnudos interconectados y enterrados, proporcionando una referencia comn para dispositivos elctricos o estructuras metlicas. 2.35 Masa (Mass, ground or Chassis). Conjunto de partes metlicas de un equipo, que en condiciones normales, estn aisladas de las partes activas y se toma como referencia para las seales y tensiones de un circuito electrnico. Las masas pueden estar o no estar conectadas a tierra. El trmino masa slo debe utilizarse para aquellos casos en que no es suelo, como los aviones, los barcos y los autos. 2.36 Neutro (Neutral o Grounded Service Conductor). Conductor activo conectado intencionalmente al punto neutro de un transformador o instalacin y que contribuye a cerrar un circuito de corriente. 2.37 Poner a tierra (To earth or To ground). Realizar una conexin elctrica entre un nodo de una instalacin elctrica y el suelo o terreno. Puede ser intencional o accidental y permanente o temporal. 2.38 Puente de conexin equipotencial (Bonding Jumper). Conductor confiable que asegura la conductividad elctrica necesaria entre las partes metlicas que deben estar elctricamente conectadas entre s. 2.39 Puesta a neutro. Sistema de proteccin contra contactos elctricos indirectos, que consiste en unir las carcasas de los equipos al neutro, de tal forma que los defectos de aislamientos, se transformen en cortocircuitos entre fase y neutro. Est prohibido hoy en da. 2.40 Puesta a tierra (Grounding or Earthing or earth termination system or groundidng electrode). Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto elctrico con el suelo o una masa metlica de referencia comn, que distribuye las corrientes elctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende electrodos, conexiones y cables enterrados. 2.41 Puesta a tierra antiesttica. Subsistema de puesta a tierra diseado y construido para drenar hacia el terreno las cargas originadas en fenmenos de electricidad esttica, por su gran riesgo de producir incendios o daos en equipos electrnicos. 2.42 Puesta a tierra de proteccin contra rayos. Subsistema de puesta a tierra que debe garantizar la dispersin y disipacin en el terreno de las corrientes provenientes de las descargas elctricas atmosfricas directas sobre la instalacin considerada.


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2.43 Puesta a tierra permanente o funcional. Aquella asociada al sistema elctrico de alimentacin o circuito normal de trabajo; sirve tanto para condiciones de funcionamiento normal, como de falla. Pueden ser de subestacin, de comunicaciones, de esttica, de equipo sensible, de proteccin contra rayos o requerida por las disposiciones de los fabricantes de equipo electrnico. 2.44 Puesta a tierra temporal (Temporary o Protective Grounding). Dispositivo de puesta a tierra y en cortocircuito, para proteccin del personal que interviene en redes desenergizadas o para descarga de electricidad esttica. No es del mbito de esta norma. 2.45 Puesto a tierra (Grounded). Se refiere a la condicin de un sistema, circuito o aparato conectado a tierra intencional o accidentalmente. No deben utilizarse trminos como aterrado o aterrizado. 2.46 Punto neutro. Punto comn de un sistema polifsico conectado en estrella o el punto medio puesto a tierra de un sistema monofasico trifilar. 2.47 Red equipotencial (Earthing Network o equipotential bonding network). Conjunto de conductores del SPT que no estn en contacto con el suelo o terreno y que conectan sistemas elctricos, equipos o instalaciones con la puesta a tierra. 2.48 Rgimen de conexin a tierra-RCT o Rgimen de neutro (Neutral Point Treatment). Modo de conexin del punto neutro con la puesta a tierra. Normalmente se regula para cada pas. En Colombia es TNC-S. 2.49 Resistencia de puesta a tierra o resistencia de dispersin (Earth Resistance). Es la relacin entre el potencial del sistema de puesta a tierra a medir, respecto a una tierra remota y la corriente que fluye entre estos puntos. 2.50 Resistividad del terreno (Earth Resistivity). Relacin entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia especfica de una sustancia. Numricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1 m x 1 m x 1 m, medida entre dos caras opuestas. Se da en ohmio metro (.m). 2.51 Shock. Estado patolgico sbito de falla cardio-circulatoria; entre otras manifestaciones se reconoce por palidez cutnea, sudoracin fra, obnubilacin mental e hipotensin aterial. 2.52 Sistema de puesta a tierra-SPT (Earthing or Grounding System). Conjunto de elementos conductores de un sistema elctrico especfico, sin riesgo de interrupcin involuntaria, que conectan los equipos elctricos con el terreno o una masa metlica. Comprende la puesta a tierra y la red eqipotencial. 2.53 Sistema flotante. Sistema elctrico no puesto a tierra intencionalmente. 2.54 Sobretensin (Overvoltage). Tensin anormal existente entre dos puntos de una instalacin elctrica, superior a la tensin mxima de operacin normal de un dispositivo, equipo o sistema. 2.55 Slidamente puesto a tierra (Grounded Solidly). Rgimen de conexin a una puesta a tierra, sin otra impedancia que la del cable. 2.56 Suelo o terreno (Soil). Capa de productos de meteorizacin, llena de vida, que se encuentra en el lmite entre la roca inerte de la corteza y la atmsfera.


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2.57 Telurmetro (Tellurohm o Earth Tester). Nombre en castellano del equipo diseado para medicin de resistividad y resistencia de sistemas de puesta a tierra. Sus principales caractersticas son: frecuencia, alarma, deteccin de corrientes espurias, escala y margen de error. 2.58 Tensin de contacto (Touch Voltage). Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre una estructura metlica puesta a tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia de un metro. Esta distancia horizontal es equivalente a la mxima que se puede alcanzar al extender un brazo. 2.59 Tensin de interferencia. Elevacin del potencial de tierra que aparece en los sistemas de tierra de forma permanente, debido a corrientes que circulan por el sistema de puesta a tierra. 2.60 Tensin de Paso (Step Voltage). Diferencia de potencial que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie del terreno, separados por un paso (aproximadamente un metro). 2.61 Tensin de malla. Es la diferencia entre el GPR y la tensin de superficie. 2.62 Tensin neutro-tierra. Diferencia de potencial en un circuito, entre los conductores de neutro y de puesta a tierra. 2.63 Tensin transferida. Caso especial de la tensin de contacto donde un potencial es conducido hasta un punto remoto respecto a la subestacin o a una puesta a tierra. 2.64 Tiempo de despeje de falla. Tiempo que transcurre desde el inicio de una falla, hasta el momento en que se desconecte al ser accionado por un dispositivo de proteccin y est dado por:

Tc = Tp + Td + Ta. en donde

Tc = tiempo de despeje Tp = tiempo de comparacin Td = tiempo de decisin Ta = tiempo de accin, incluyendo el tiempo de operacin del dispositivo de desconexin.

2.65 Tierra (Earth, Ground, Terra, Terre, rliche, Ziemia). Para sistemas elctricos, es una expresin que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas elctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcasa, armazn, estructura o tubera de agua. Se le considera como la referencia de potencial de cero voltios en condiciones de operacin normal. 2.66 Tierra aislada (Insulated Grounding Equipment Conductor or Noiseless Earth). Es un conductor de tierra para equipos electrnicos que debe ser aislado y que recorre las mismas conducciones o canalizaciones que los conductores de alimentacin. 2.67 Tierra de referencia. Barraje interno de los equipos electrnicos, que fija el potencial de referencia cero para sus circuitos internos. Tambin se le conoce como tierra lgica o terminal comn de circuitos.


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2.68 Tierra redundante. Trmino aplicado a la conexin especial de conductores de puesta a tierra de equipos, que va a tomacorrientes y equipo elctrico fijo en reas de cuidado crtico, interconectando la tubera metlica y el conductor aislado de tierra, para asegurar la proteccin de los pacientes contra las corrientes de fuga. 2.69 Tierra remota (Earth Remote). Puesta a tierra lejana, respecto a la puesta tierra considerada, para la cual se asume que su potencial es cero y que no causa interferencia. 2.70 Tomacorrientes con polo a tierra (Receptacle). Son aquellos con una tercera clavija que hace el primer contacto elctrico al conectar el equipo. Algunos vienen con la tierra unida a la caja y otros con la tierra aislada (para equipos sensibles).


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CAPTULO 3. GENERALIDADES Definir la forma de conexin a tierra es una decisin a la cual se deben enfrentar las personas encargadas del diseo o remodelacin de instalaciones. Actualmente existen varios mtodos y criterios vlidos para poner a tierra un sistema elctrico, dependiendo del tipo y propsito de este. Los mtodos de puesta a tierra usualmente son muy similares. Sin embargo, en algunos casos pueden variar por factores como: 1) Localizacin del SPT dentro del sistema elctrico. 2) Existencia de sistemas derivados independientes. 3) Requisitos de los procesos y necesidades de los equipos. Una de las razones para realizar una conexin intencional de una fase o de un conductor neutro del sistema elctrico con la puesta a tierra, es conservar las tensiones respecto a tierra, dentro de unos lmites seguros. Este control tambin permite la reduccin del riesgo de electrocucin por contacto con conductores energizados. Igualmente sirve para que contactos indeseados entre los conductores de fase y la tierra o un objeto conectado a esta, produzca un flujo de corriente que pueda ser detectado para que operen los dispositivos automticos de proteccin contra sobrecorriente o contra fallas a tierra. Un SPT debe ser inspeccionado peridicamente y recibir mantenimiento. La periodicidad depender de un buen diseo, el cual incluye una cuidadosa escogencia de los materiales y apropiadas tcnicas de instalacin para asegurar que resista el deterioro de sus componentes. 3.1 OBJETIVOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Existen muchas razones por las cuales se requiere un SPT en el diseo y construccin de un sistema elctrico, pero la ms importante es la proteccin de los seres vivos. Tambin cumple un papel importante para proteger las estructuras y los equipos contra fallas en el sistema de potencia y contra descargas elctricas atmosfricas. Los sistemas de puesta a tierra tienen tres objetivos principales: 1) Seguridad de las Personas y animales

Una buena conexin equipotencial entre objetos conductores evita que al circular corrientes debidas a fallas del sistema elctrico o descargas elctricas atmosfricas, se produzcan diferencias de potencial que puedan lesionar seres vivos. Adems, un adecuado sistema de puesta a tierra facilita la operacin de las protecciones, lo cual ayuda a evitar la formacin de arcos elctricos.

2) Proteccin de la Instalacin y los Equipos

Una buena conexin a tierra previene incendios en las edificaciones, al evitar que se produzcan diferencias de potencial que puedan resultar riesgosas para los equipos y los dems elementos contenidos en la estructura.


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3) Compatibilidad Electromagntica

Un buen sistema de puesta a tierra ayuda a reducir el ruido elctrico, principalmente en los sistemas de control y telecomunicaciones, adems asegura que: - las diferencias de potencial entre equipos interconectados sean mnimas. - los acoples de los campos elctricos y magnticos sean minimizados.

3.2 REQUISITOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Un sistema de puesta a tierra debe cumplir los siguientes requisitos: - Permitir un mantenimiento peridico. - La variacin de resistencia debida a cambios ambientales debe ser mnima. - Su vida til debe ser mayor de 15 aos. - Su costo debe ser el ms bajo posible sin que se comprometa la seguridad. - El valor de la resistencia debe estar acorde con el tipo de instalacin. - Resistir la corrosin. - Los elementos metlicos que forman parte de las instalaciones elctricas, no podrn ser

incluidos como parte de los conductores de puesta a tierra. Este requisito, no excluye el hecho de que se debe conectar a tierra en algunos casos.

- Los elementos principales que actan como refuerzo estructural de una edificacin

deben tener una conexin elctrica permanente con el sistema de puesta a tierra general.

- Las conexiones que van bajo el nivel del suelo en puestas a tierra, deben ser realizadas

mediante soldadura exotrmica o conector certificado para tal uso. - En instalaciones domiciliarias, para verificar que las caractersticas del electrodo de

puesta a tierra y su unin con la red equipotencial cumplan con las disposiciones dadas por esta norma, se debe dejar al menos un punto de conexin accesible e inspeccionable.

- No se deben utilizar electrodos aluminio para puestas a tierra. - Cuando por requerimientos de una instalacin, o inmueble, existan varias puestas a

tierra, todas ellas deben estar interconectadas elctricamente con el fin de evitar diferencias de potencial entre ellas o entre partes de la misma instalacin y facilitar la distribucin de corrientes de falla. Este criterio tomado de la IEC, est establecido igualmente en el RETIE y en la NTC 2050, puede hacerse por encima o por debajo del nivel del piso (vase la Figura 1).


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Conexiones

Bajantes

Suelo

Tierra depotencia

Tierraaislada

Pararrayos oterminales de

captacin

Puestasa tierra

Figura 1. SPT con puestas a tierra dedicadas e interconectadas equipotencialmente

Esta norma acoge lo normalizado y reglamentado en casi todo el mundo y plasmado en diversas normas, en el sentido de evitar prcticas que han demostrado ser perjudiciales. Cuando por requerimientos de una instalacin o inmueble, existan varias puestas a tierra, todas ellas deben estar interconectadas elctricamente con el fin de evitar diferencias de potencial entre las puestas a tierra o entre partes de la misma instalacin y facilitar la distribucin de corrientes de falla, creando de esta manera un sistema ms confiable y seguro (vanse las Figuras 2 y 3).

Suelo

Tierra depotencia

Tierraaislada


captacin

Puestaa tierra

Figura 2. Una sola puesta a tierra para todas las necesidades (prohibido)


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Suelo

Tierra depotencia

Tierraaislada


captacin

Figura 3. Puestas a tierra separadas o independientes (prohibido) Se debe evitar unir el conductor neutro y el conductor de puesta a tierra de un sistema en ms de un punto. Al realizar esta unin, parte de la corriente del neutro circula por el conductor de puesta a tierra (conocidas como correintes de modo comn), lo cual genera diferencias de potencial en el SPT que pueden afectar a los equipos electrnicos, aun ms si hay varios interconectados. De la misma manera de debe evitar intercambiar el conductor de neutro con el conductor de puesta a tierra de una instalacin. 3.3 COMPONENTES DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Para describir los componentes de un sistema de puesta a tierra, se puede dividir en dos bloques: Puesta a tierra (bajo el nivel del piso) y Red equipotencial (sobre el nivel del piso).

TIERRA AISLADAY GRADO

HOSPITALARIO

CON DPS

AISLADOR

EMT

UPS

( - )( + )

DPS- +

L

2L

CAJA DEINSPECCIN

DE EQUIPOSENSIBLE

DE CONTROLDE CORROSINDE POTENCIA

DE PROTECCINCONTRA RAYOS

ELECTRODOS

SUELOARTIFICIAL

ELEC

TRO

DO

PR

OFU

ND

O

PU

ES

TA A

TIE

RR

AR

ED

EQ

UIP

OTE

NC

IAL

PUNTONEUTRO

BARRA DENEUTRO

EMT

ACEROESTRUCTURAL

NEUTRO

51N

Z

NORMAL

CON GFCI

Figura 4. Componentes bsicos de un SPT.


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3.3.1 Puesta a tierra La puesta a tierra se define como un conjunto de elementos conductores equipotencialmente conectados, en contacto elctrico con el terreno o una masa metlica de referencia comn, que distribuyen las corrientes elctricas de falla en el terreno o en la masa. Los principales componentes de una puesta a tierra son: - Electrodos de puesta a tierra

Los electrodos de puesta a tierra son los elementos encargados de distribuir la corriente elctrica en el terreno. Dependiendo de la distribucin espacial de estos electrodos, se producirn en el terreno, los perfiles de tensin que definirn si el diseo de una puesta a tierra cumple con los valores mximos de tensin de paso y contacto. La puesta a tierra puede estar conformada por uno o varios de los siguientes tipos de electrodos de puesta a tierra: - varillas - tubos - placas - flejes - cables A los electrodos embebidos en concreto, se les conoce como tierras Ufer. El concreto tiene una resistividad que puede variar entre 50 .m y 15 000 .m dependiendo del contenido de humedad. En otros casos se puede utilizar la estructura metlica de los cimientos del edificio como parte del sistema de puesta a tierra; esto es muy comn en los edificios en los cuales el acero de las columnas sirve como bajante del sistema de proteccin contra rayos.

- Conductores enterrados Los conductores utilizados para unir varios electrodos como los anteriormente mencionados, tambin sern considerados como parte de la puesta a tierra siempre y cuando no tengan aislamiento que impida el contacto elctrico entre dicho conductor y el suelo. En general, se elige entre conductores circulares o rectangulares. Como van a quedar enterrados, es preferible utilizar cables de pocos hilos (siete).

- Conexiones Las conexiones son quizs los componentes ms repetitivos en un SPT, por tanto deben seleccionarse de tal manera que no sufran daos durante la vida til. Existen unas mecnicas y otras soldadas. Todas deben estar certificadas para enterramiento directo si van en la puesta a tierra. La conexin de los elementos de una puesta a tierra con soldadura exotrmica, consiste en una reaccin qumica en la que se reduce xido de cobre mediante aluminio en polvo. Su mejor garanta es que se tiene una unin molecular (vase la Figura 5).


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Unin cable-platina con soldadura exotrmica

Unin Cable-Varilla con soldadura exotrmica

Conector de tornillo partido

Terminal de ponchar

Figura 5 Tipos de conexiones


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3.3.2 Red equipotencial Comprende el conjunto de conductores del SPT que no est en contacto con el terreno. Tiene varios componentes, como barrajes, cables, canalizaciones, conexiones, puentes equipotenciales, tomacorrientes, etc - Conductor a tierra

Es el que une el sistema elctrico con la puesta a tierra. Debe estar dimensionado para soportar la circulacin de la corriente de falla del sistema.

- Conductor de tierra aislado para equipos electrnicos

Se exige que el conductor de puesta a tierra de los equipos electrnicos sea aislado, esto con el fin de evitar circulen corrientes indeseadas que puedan causar interferencia en el funcionamiento de estos equipos.

- Barrajes equipotenciales

El barraje equipotencial cumple la funcin de elemento integrador de los conductores de puesta a tierra.

- Puentes equipotenciales

El puente equipotencial se utiliza para asegurar la continuidad elctrica entre partes metlicas que requieran ser conectadas equipotencialmente. Existen varias denominaciones para puentes equipotenciales: Puente equipotencial de equipos: Es la conexin entre dos o ms puntos del conductor de tierra de equipos. Puente equipotencial principal: Es la conexin entre el conductor de servicio puesto a tierra (neutro) y el conductor a tierra en el nodo de suministro de electricidad del proveedor local.

3.4 TIPOS DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 3.4.1 Sistema de puesta a tierra temporal Consiste en dispositivos que ponen en cortocircuito y conectan a tierra los conductores activos de un sistema elctrico para la proteccin del personal que interviene dicho sistema. No estn en el mbito de esta norma. Este tipo de dispositivos se utiliza para trabajos de: - Mantenimiento en sistemas de baja tensin. - Mantenimiento en sistemas de media tensin. - Mantenimiento en sistemas de alta tensin. - Cargue y descargue de combustibles.


16

3.4.2 Sistema de puesta a tierra permanente Pertenece al sistema elctrico y no puede ser eliminado en ningn momento. Pertenece al circuito de corriente; sirve tanto para condiciones de funcionamiento normal, como de falla Dependiendo del uso para el que est destinado, tiene diferentes configuraciones y especificaciones. En todo caso se deben controlar principalmente las tensiones de paso y de contacto para garantizar las condiciones de seguridad a los seres vivos. Las partes metlicas expuestas de los equipos, no portadoras de corriente, que se puedan energizar accidentalmente, se deben conectar al SPT y de esta manera prevenir casos de electrocucin por contactos indirectos. Los SPT permanentes, pueden ser de: - Corriente contina. - Comunicaciones. - Equipos de cmputo. - Esttica. - Proteccin contra rayos. - Proteccin catdica. - Subestacin. 3.5 REGMENES DE CONEXIN A TIERRA (RCT) Un sistema elctrico tiene una puesta a tierra satisfactoria si los dispositivos de proteccin funcionan y contrarrestan el peligro en caso de una falla en cualquier masa metlica de un equipo conectado con el punto neutro. El blindaje metlico de un cable subterrneo con puesta a tierra, el neutro de un sistema o un cable a tierra en una lnea de transmisin puede ofrecer una ruta de baja resistencia para el regreso de una falla al punto neutro. Para los fines de esta norma, es conveniente considerar que un sistema se compone de una fuente de energa y una instalacin; la primera incluye los conductores de electricidad que van a la segunda. En la gran mayora de los casos, el proveedor de electricidad opera o es dueo y por tanto, responsable de la fuente de energa, y la instalacin es del usuario. An en instalaciones industriales, donde el usuario es dueo y tiene control sobre la fuente de electricidad, es conveniente considerar la fuente separadamente del circuito. La clasificacion acordada internacionalmente, para sistemas elctricos de baja tensin, es: a) Sistemas TN, tienen la fuente de electricidad slidamente conectada a tierra y las

partes conductivas expuestas de la instalacin estn conectadas a la fuente con puesta a tierra, es decir, existe una ruta metlica para que las corrientes de falla fluyan hacia los puntos de la fuente puestos a tierra. Los sistemas TN se subdividen as:

- Sistemas TN-C, en los cuales las funciones de conductor neutro y conductor de

proteccin estn combinadas en uno solo a travs de todo el sistema.


17

Figura 6. Sistema TN-C

- Sistemas TN-S, los cuales tienen conductores neutro y de proteccin separados en todo el sistema.

Figura 7. Sistema TN-S

- Sistemas TN-C-S, en los cuales las funciones de neutro y de proteccin, estn combinadas en un solo conductor pero nicamente en una parte del sistema (generalmente la acometida). El tipo de distribucin conocida comnmente como mltiplemente puesto a tierra es TN-C-S (PME), donde el suministro mismo es TN-C y la forma como est arreglada la instalacin es TN-S.

E

Figura 8. TN-C-S (PNB)

E

Figura 9. TN-C-S (PME)


18

b) Sistemas TT tienen uno o ms puntos de la fuente de energa conectados slidamente a tierra y las partes conductivas de la instalacin estn conectadas localmente a un electrodo de puesta a tierra, elctricamente separados de la puesta a tierra de la fuente.

E

Figura 10. Sistema TT

c) Sistemas IT tienen una fuente sin puesta a tierra o mediante una alta impedancia y las partes conductivas expuestas de la instalacin estn conectadas a un electrodo con puesta a tierra elctricamente independiente. Las regulaciones en muchos pases, entre ellos Colombia, no permiten el uso de este sistema para las redes de suministro pblico.

E

DPS ORESISTENCIA RCD

Figura 11. Sistema IT d) Coexistencia de sistemas.

La gran mayora de las instalaciones en el mundo forman parte de sistemas TN o TT. Sin embargo, en la prctica un sistema puede ser una combinacin de varias clases, por ejemplo, una instalacin que forme parte de un sistema TN en el cual puede ser necesario que uno o varios circuitos en particular estn protegidos por una proteccin de falla a tierra. Numerosas ventajas son atribuidas a los sistemas puestos a tierra como son mayor seguridad, ptimo control de sobretensiones y facilidad en la deteccin y localizacin de fallas. Los sistemas slidamente puestos a tierra deben tener una corriente de cortocircuito monofsico de al menos el 60 % de la corriente de cortocircuito trifsico. En los sistemas puestos a tierra slidamente, se conecta el punto neutro del transformador -y o de un generador a la puesta a tierra por medio de un conductor. debido a que la reactancia del generador o del transformador queda conectada en serie con el circuito formado por una falla monofsica. En estos sistemas nunca se alcanza una impedancia igual a cero en el circuito formado por esta falla; en este tipo de conexin es preferible que la impedancia de secuencia cero sea menor a la impedancia de secuencia positiva, esto con el fin de disminuir las sobretensiones transitorias por fallas del sistema.


19

En la mayora de sistemas industriales y comerciales esta condicin se cumple fcilmente. Sin embargo, si se tienen varios generadores o transformadores -Y conectados al sistema y slo uno de ellos se encuentra puesto a tierra slidamente, la impedancia de secuencia cero puede ser mayor a la impedancia de secuencia positiva.

TN-C TN-S TT IT

3 3 3 3

Figura 12. Coexistencia de diversos regmenes de conexin a tierra e) Otras denominaciones para RCT

No obstante la clasificacin internacional vigente, muchos sistemas elctricos emplean otros trminos para referirse a la conexin a tierra del punto neutro del sistema. Entre ellos estn los denominados no puestos a tierra intencionalmente y los de impedancia limitadora. Aunque un sistema no se conecte deliberadamente a tierra, en realidad estn conectados por medio de capacitancias que se forman entre los conductores de fase y la tierra. En la mayora de sistemas esta conexin tiene una alta impedancia y da como resultado una conexin a tierra muy dbil. El rgimen de conexin no puesto a tierra intencionalmente tuvo mucho auge en algunas plantas industriales, pues presenta dos ventajas. La primera es de tipo operativo, pues un contacto fase-tierra produce mnimos flujos de corriente a tierra, por lo tanto, el sistema puede seguir en funcionamiento aunque exista la falla, mejorando la continuidad del servicio. La segunda es de tipo econmico: No son necesarios equipos ni conductores de puesta a tierra. Cuando se elige un sistema no conectado a tierra se debe implementar un completo esquema de deteccin de fallas a tierra. Este esquema usualmente est formado por un transformador trifsico con el primario en Y con neutro conectado a tierra. El secundario se conecta en delta abierta y en la esquina abierta se conecta un rel como indicador o circuito de alarma. Para crear un punto neutro en sistemas sin neutro se usan tres tipos de transformadores auxiliares: -Y; zig-zag o en T. El tipo de transformador ms usado es el zig-zag sin secundario como el mostrado en la Figura 13.


20

Fases

Neutro

Figura 13. Trasformador zig-zag sin secundario

En el sistema donde el neutro es puesto a tierra a travs de una resistencia o una reactancia. Una de las caractersticas de este mtodo es que la tensin lnea-tierra que se presenta en caso de hacer contacto una fase con la tierra, es casi igual a la que se producira en el caso que el sistema no estuviera conectado a tierra. Los sistemas puestos a tierra con impedancia limitadora, se subdividen en tres categoras: - A travs de resistencia - A travs de reactancia - A travs de reactancia resonante Un sistema puesto a tierra a travs de resistencia no est sujeto a sobretensiones transitorias severas si dicha resistencia se escoge debidamente. Las razones para limitar la corriente de falla por medio de una resistencia pueden ser: 1. Evitar la incineracin y daos por exceso de calor en equipos elctricos,

transformadores, cables, motores. 2. Evitar los esfuerzos mecnicos en los equipos o partes por las cuales circula la

corriente de falla. 3. Reducir el riesgo producido por la formacin de arco elctrico. 4. Reducir el riesgo de electrocucin de personas a causa de corrientes de corto

circuitos circulando por el terreno. 5. Reducir la cada de tensin que ocurre al presentarse una falla lnea-tierra.


21

En los sistemas puestos a tierra a travs de reactancia, la corriente de cortocircuito monofsico debe limitarse a un valor entre el 25 % y el 60 % de la corriente de cortocircuito trifsico a fin de evitar sobretensiones peligrosas. En todos los casos, la impedancia interna del transformador o del generador cuyo punto neutro est puesto a tierra, queda conectada en serie con el circuito externo, lo cual no asegura de manera eficaz que se produzca una corriente de falla suficiente para hacer operar las protecciones. Muchos de los conceptos involucrados en la definicin de los tipos de conexin a tierra de los sistemas estn explicados en trminos de componentes simtricas o circuitos equivalentes. El mtodo utilizado para hacer la conexin del sistema a la puesta a tierra puede causar algunas incompatibilidades en ciertos equipos. Con excepcin de los sistemas slidamente puestos a tierra, el uso de cualquier otro mtodo debe ser evaluado para cada aplicacin especfica.


22

CAPTULO 4. CRITERIOS DE SEGURIDAD Debido a que el SPT es quizs la componente fundamental de un sistema elctrico; para cumplir la funcin de proteger vidas y bienes, esta norma compila los criterios bsicos de seguridad para que quien haga uso de ella, tome la mejor decisin. 4.1 INCIDENCIA DE LA CORRIENTE ELCTRICA EN SERES VIVOS El cuerpo humano es una resistencia elctrica, tiene un sistema elctrico propio y se han determinado los umbrales de soportabilidad que permiten incorporarlos en los diseos. Los efectos de la corriente en un ser vivo pueden ser de tipo qumico como la electrlisis, de tipo nervioso o lesiones fsicas. Las formas de contacto varan y eso hace que las condiciones de un riesgo en particular deban considerarse desde la primera fase de un proyecto. Los efectos de la corriente elctrica pasando a travs de las partes vitales del cuerpo humano dependen entre otros aspectos, de la trayectoria, la duracin, la magnitud y la frecuencia de esta corriente. La consecuencia ms peligrosa de tal exposicin es una condicin del corazn conocida como fibrilacin ventricular que impide la circulacin de la sangre y lleva a la muerte. 4.1.1 Resistencia del cuerpo humano Para los propsitos de esta norma, las siguientes resistencias del cuerpo, se asumen as: a) Las resistencias del contacto de la mano y del pie son iguales a cero. b) Las resistencias de guantes y de los zapatos son iguales a cero. c) Siempre se tomar un valor de 1 000 como resistencia de un cuerpo humano en la

trayectoria de mano-a-pies y tambin de mano a mano, o de un pie al otro pie. El valor de 1000 para la resistencia se relaciona con las trayectorias entre la mano y el pie o ambos pies, donde una parte importante de la corriente pasa a travs del cuerpo que contiene rganos vitales, incluyendo el corazn. 4.1.2 Frecuencia Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente elctrica en la frecuencia de 60 Hz, en las cuales corrientes cercanas a 0,1 A pueden ser mortales. Las investigaciones indican que el cuerpo humano puede soportar, aproximadamente cinco veces ms en corriente directa o de 5 Hz. Corrientes altas pueden ser toleradas cuando la frecuencia est en el rango entre 3 000 Hz-10 000 Hz. 4.1.3 Intensidad de corriente Los efectos fisiolgicos ms comunes de la corriente elctrica en el cuerpo son indicados en orden de incremento de la intensidad de corriente as: percepcin, contraccin muscular, inconsciencia, fibrilacin del corazn, obstruccin respiratoria y quemadura.


23

Tabla 1. Rangos de corriente y efectos

Intensidad de corriente (mA) Caractersticas Efectos en el cuerpo humano

1 Se reconoce generalmente como el umbral de percepcin.

La persona apenas puede detectar una sensacin de cosquilleo en sus manos o yemas de los dedos causadas por el paso de la corriente.

1-6 Llamadas a menudo las corrientes de soltar (Let Go)

Aunque desagradables para sostener, no perjudican generalmente la capacidad de una persona que toma un objeto energizado, esta puede controlar sus msculos y soltarlos.

9 25 Las corrientes pueden ser dolorosas y puede ser difcil o imposible soltar los objetos energizados agarrados por la mano.

Para las corrientes ms altas las contracciones musculares podran hacer difcil la respiracin. Estos efectos no son permanentes y desaparecen cuando se interrumpe la corriente, a menos que la contraccin sea muy severa y se detiene la respiracin por unos minutos. Tales casos pueden responder a menudo con la resucitacin.

25 -100 Se puede alcanzar la fibrilacin ventricular, el paro cardaco o la inhibicin de la respiracin que puede causar la muerte. Una persona entrenada en la resucitacin cardio-pulmonar podra administrar RCCP hasta que la vctima pueda ser tratada en una unidad de asistencia mdica.

Esta norma resalta la importancia del umbral de fibrilacin. Si la corriente a travs del cuerpo humano se puede mantener por debajo de este valor mediante un diseo cuidadoso de la malla de puesta a tierra, una lesin o la muerte puede evitarse. Segn lo demostrado por Dalziel y otros investigadores, la corriente de no-fibrilacin de magnitud IB, con tiempos de duracin variando entre 0,03 y tres segundos, se relaciona con la energa absorbida por el cuerpo segn lo descrito por la siguiente ecuacin:

( ) sBB txIS 2= (6) en donde

IB = Es la magnitud en rms de la corriente a travs del cuerpo humano (A). tS = Es la duracin de exposicin a la corriente (s). SB = Es una constante que relaciona la energa elctrica de shock para cierto porcentaje de la

poblacin. 4.1.3 Duracin de la exposicin a la corriente En vista de la importancia de la duracin de la falla y en consecuencia de la duracin del contacto con la fuente de energa, en trminos de la Ecuacin (6) e implcitamente como un factor de exposicin al accidente, el rpido despeje es ventajoso por las siguientes razones: a) La probabilidad de la exposicin a la descarga elctrica se reduce significativamente por

un rpido tiempo de despeje de la falla, en contraste a las situaciones en las cuales las corrientes de falla podran persistir por varios minutos o posiblemente horas.

b) Los ensayos y la experiencia muestran que la posibilidad de una lesin o de la muerte

se puede reducir drsticamente, si la duracin de la corriente que atraviesa por el cuerpo es muy breve.


24

El valor de corriente permisible podra, por lo tanto, estar basado en el tiempo de despeje de la proteccin principal o de la proteccin de respaldo. Un buen caso podra ser usar el tiempo de despeje de la proteccin principal debido a la baja probabilidad combinada de que un rel, con un mal funcionamiento, coincida con el resto de los factores adversos necesarios para un accidente. Es ms conservador elegir el tiempo de despeje de la proteccin de respaldo para el rel en la ecuacin (6), porque garantiza un mayor margen de seguridad. Una ventaja adicional para utilizar tiempos de la conmutacin menores de 0,5 s resulta de los estudios realizados por Biegelmeier y Lee. Su investigacin proporciona evidencia que un corazn humano llega a ser cada vez ms susceptible a la fibrilacin ventricular cuando el tiempo de la exposicin a la corriente se acerca al perodo del latido del corazn, pero el peligro es menor si el tiempo de la exposicin a la corriente est en el intervalo comprendido entre 0,06 s y 0,3 s. El recierre despus de una falla de tierra es una prctica comn en la operacin actual de los sistemas. En tales circunstancias, una persona puede estar sometida a una primera descarga sin lesin permanente. Despus, un solo recierre automtico instantneo podra dar lugar a una segunda descarga, iniciada en menos de 0,33 s del comienzo de la primera. Es esta segunda descarga, ocurriendo despus de un intervalo relativamente corto de tiempo, antes de que la persona se haya recuperado, la que podra causar un serio accidente. Con recierre manual, la posibilidad de exposicin a una segunda descarga se reduce porque el intervalo del tiempo de recierre puede ser substancialmente mayor. 4.1.4 Trayectoria de la corriente Resistencias con valores mayores de 1 000 podran permitirse, donde una trayectoria sea a partir de un pie al otro pie. Sin embargo, los siguientes factores deben considerarse: a) Una tensin entre los dos pies, dolorosa pero no fatal, puede dar lugar a una corriente

ms grande que atraviesa el rea del pecho. El grado de este peligro dependera de la duracin de la falla y de la posibilidad de otra descarga sucesiva, quizs en un recierre.

b) Una persona puede estar trabajando o descansando en una posicin potencialmente

peligrosa cuando ocurre una falla. Es evidente que los peligros del contacto pie-pie son menores a un contacto mano derecha-pie izquierdo considerada como la de mayor riesgo. Sin embargo, puesto que muchas muertes han ocurrido en el caso a) ya descrito, es un peligro que no debe ser ignorado. 4.1.5 lmites tolerables por el cuerpo La magnitud y la duracin de la corriente conducida a travs del cuerpo humano en una frecuencia de 50 Hz 60 Hz, deber ser menor que el valor que puede causar fibrilacin ventricular. La duracin para la cual una corriente de 50 Hz de 60 Hz se puede tolerar por la mayora de las personas se relaciona con su magnitud de acuerdo con la Ecuacin (6). Basado en resultados de los estudios de Dalziel, se asume que el 99,5 % de todas las personas pueden soportar con seguridad, sin la fibrilacin ventricular, el paso de corriente con la magnitud y la duracin determinada por la siguiente frmula:

sB

t

kI = (7)


25

en donde, adems de los trminos definidos previamente en la Ecuacin (6)

BSk = Dalziel encontr que la energa de la descarga en que se puede sobrevivir por el 99,5 % de personas que pesan aproximadamente 50 kg da lugar a un valor del SB de 0,0135. As, k50 = 0,116 y la frmula para la corriente permisible a travs del cuerpo resulta:

sB

t

,I

1160= (8) La Ecuacin (8) resulta en valores de 116 mA para tS = 1 s y de 367 mA para ts = 0,1 s. Puesto que la Ecuacin (7) est basada en ensayos limitados a un rango de tiempo entre 0,03 s y tres segundos, esto obviamente no es vlido para tiempos muy cortos o muy prolongados. Otros estudios de Dalziel, basados en la Ecuacin (7), conducen al valor alterno de k = 0,157 y SB = 0,0246 para personas que pesan 70 kg, as:

sB

t

,I

1570= (9) La Ecuacin (7) indica que corrientes altas por el cuerpo pueden ser permitidas donde los dispositivos de proteccin tengan rpido funcionamiento, ya que se puede confiar en la limitacin de la duracin de la falla. Un juicio de decisin necesario es si utilizar el tiempo de despeje de la proteccin principal de alta velocidad, o el de la proteccin de respaldo, como la base para el clculo. Normas internacionales como la IEC 60 479 han retomado estos estudios y as lo han plasmado como se muestra en la Figura 14.

1 2 3 4 5 6

0,110

20

50

100

200

500

1000

2000

5000

10000

0,2 0,3 1 2 5 10 20 50 100 200 500 2000 5000 100001000

1 Habitualmente ninguna reaccinZONA

2 Habitualmente ningun efecto fisiopatlogico peligrosoZONA

3 Habitualmente ningun riesgo de fibrilacinZONA

4 Riesgo de fibrilacin (hasta aproximadamente un 5%)ZONA

5ZONA

6Paro cardiaco, paro respiratorio y quemaduras severasRiesgo de fibrilacin (por encima de un 50%)ZONA

Riesgo de fibrilacin (hasta aproximadamente un 50%)

t (ms)

I (mA)

a b c c c1 2 3

DALZIEL (IEEE)para 50 kg

IEC

Figura 14. Relacin Corriente vs. tiempo


26

4.2 CLCULO DE TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO Usando el valor de la corriente tolerable por el cuerpo y las constantes apropiadas del circuito, es posible determinar la tensin tolerable entre dos puntos de contacto. La corriente tolerable del cuerpo Ib, queda definida por las Ecuaciones (8) (9). Se utiliza para definir la tensin eficaz total tolerable del circuito equivalente (tensin de contacto o de paso). La tensin eficaz total tolerable del circuito equivalente es la tensin que causar el flujo de corriente por el cuerpo IC. 4.2.1 Tensin de contacto La Figura 15 representa el circuito de la corriente de falla siendo descargada a la tierra por el sistema de puesta a tierra y simula una persona que toca una estructura metlica puesta a tierra en un punto H. El terminal H es un punto del sistema con el mismo potencial de la malla en la cual la corriente de falla fluye y F equivale a una pequea rea en la superficie de la tierra que est en contacto con los dos pies de la persona. El teorema de Thevenin permite representar estos dos puntos o terminales (H, F) en un circuito equivalente. La tensin de Thevenin VTh es la tensin entre los terminales H y F cuando la persona no est presente. La impedancia ZTh de Thevenin es la impedancia del sistema vista desde los puntos H y F con las fuentes de tensin cortocircuitadas. La corriente Ic a travs del cuerpo de una persona que est en contacto con H y F es dada por:

cTH

THc RZ

VI += (10)

en donde Rc es la resistencia del cuerpo humano en ohmios. Se sugiere utilizar la siguiente frmula conservativa para la impedancia equivalente:

2f

THR

Z = (11) O su equivalente en funcin de la resistividad:

51,ZTH = (12)

~H

F

Z sistema

Malla

TierraV=0

Rg RmRf2

Figura 15. Impedancias del circuito de tensin de contacto


27

~V V

A

B

TH c apl.

Rp

Ic Rc

~ V

V

c apl.

TH

1 mB

R R

AI

P

R

I

aplicada

c

ft

spp

c

( )

0001512

2

5100010001

51

+

=

=

+=

+=

s

sptft

c

nTH

TH.aplc

cscTH

,x

RII

xI

GPRV

,VV

R,IV

Figura 16. Exposicin a la tensin de contacto 4.2.2 Tensin de paso Las Figuras 17 y 18 representan el caso de una corriente de falla descargada a la tierra por el sistema de puesta a tierra de una subestacin. La corriente Ib, fluye desde un pie a travs del cuerpo de la persona hasta el otro pie. Los terminales A y B son las reas en la superficie de la tierra que estn en contacto con los dos pies. El teorema de Thevenin permite que representemos esta red de dos terminales en la Figura 18. La tensin de Thevenin VTh es la tensin entre los terminales A y B cuando la persona no est presente. La impedancia ZTh de Thevenin es la impedancia del sistema vista desde los terminales A y B con las fuentes de tensin del sistema en cortocircuito. La corriente Ib a travs del cuerpo de una persona est dada por la Ecuacin (10). La impedancia equivalente de Thevenin ZTh, es calculable con numerosos mtodos.

~U

Z(sistema)

If

Ig

F1 F2

Malla de la subestacin

Ib

Figura 17. Esquema de tensin de paso


28

~

A

B

V R

Pie

TH o

Tensin de paso

BA

Figura 18. Circuito para la tensin de paso Se sugiere utilizar la siguiente frmula conservativa para la impedancia equivalente en el circuito de la tensin de paso:

fTH RZ 2= (13) En donde, Rf es la resistencia a tierra de un pie en ohmios. Para propsitos de anlisis del circuito, el pie humano es usualmente representado por un disco metlico conductor con un radio de 8 cm y la resistencia del contacto de los zapatos se ignora. Como la resistencia de puesta a tierra en ohmios de un disco metlico de radio b (m) en la superficie de una tierra homognea de resistividad (.m) est dada por:

bR f 4

= (14) Con una ligera aproximacin, la ecuacin para ZTh para el circuito equivalente de la tensin de paso, se puede obtener en trminos de (.m) como sigue:

06,ZTH = (15) Las tensiones equivalentes permitidas (tensin tolerable, de contacto y de paso) son: ( )51,RIV BBcontacto += (16) y ( )06,RIV BBpaso += (17) 4.3 EFECTO DE UNA CAPA SUPERFICIAL O GRAVILLA La Ecuacin (14) se basa en el supuesto de una resistividad del suelo uniforme. Sin embargo, una capa de entre 8 cm y 15 cm de material de alta resistividad, tal como gravilla, es a menudo ubicada en la superficie de la malla de tierra para aumentar la resistencia del contacto entre el suelo y los pies de las personas. La profundidad de dicha capa con respecto al radio equivalente del pie, imposibilita asumir una resistividad uniforme en la direccin vertical al calcular la resistencia de tierra de los pies. Sin embargo, para una persona en el rea de la subestacin, el material superficial se comporta como una extensin infinita en la direccin lateral.


29

Si la capa inferior del terreno tiene una baja resistividad respecto al material superficial, poca corriente de la falla circular por la parte superior y la corriente a travs del cuerpo ser considerablemente baja debido a la mayor resistencia del contacto entre la tierra y los pies. Todo depende de los valores relativos de las caractersticas del terreno y de las resistividades y el espesor del material superficial. Si la capa inferior tuviera una resistividad ms alta que el material superficial, los potenciales se alteraran debido a la concentracin de corriente en la superficie. Este problema puede ser evitado modelando el suelo en mltiples capas. Una expresin analtica para la resistencia de puesta a tierra del pie en una capa delgada del material superficial se puede obtener con el uso del mtodo de imgenes. La Ecuacin (18) representa la resistencia de puesta a tierra de un pie en el material superficial.

ss

f CbR

=4

(18)

( )=

+=1

216

1n

nhmn

ss sRK

bC (19)

s

sK

+= (20)

en donde

Cs = Factor de reduccin de la capa superficial. K = Factor de la reflexin entre materiales de diferentes resistividades. s = Resistividad del material de la capa superficial. = Resistividad del suelo por debajo del material superficial. Hs = Espesor del material superficial en m. b = Es el radio del disco metlico circular que representa el pie en m. Rm(2 nhs): = Es la resistencia de tierra mutua entre los dos similares, placas paralelas, coaxiales,

separadas por una distancia (2 nhs), en un medio infinito de resistividad s, en .m. Para la determinacin de Rm (2 nhs), considere una placa circular fina D1, en el plano x-y con el eje de z que pasa a travs de su centro. El radio de la placa es b y descarga una corriente I en un medio uniforme infinito de la resistividad s. Usando coordenadas cilndricas, el potencial en cualquier punto (r,z) es dado por las siguientes ecuaciones:

22 yxr += (22)

snhZ 2= (23)

( ) ( ) ( )

+++=

222

1 24 zbrzbr

bsin

b

IV

q

sz,r

(24)


30

Considere otra placa similar D2, localizada paralelo y coaxial a la placa circular D1, y en una distancia (2 nh) de ella. El potencial producido en D2 puede ser determinado evaluando el potencial medio sobre la superficie de la placa. Este puede ser dado por:

( ) = b z,rD dxVxbV0

222

1 (25)

La resistencia mutua de tierra Rm (2 nhs) entre las dos placas est dada por:

( )I

VnhR Dsm

22 = (26) Cs puede ser considerado como un factor de correccin para calcular la resistencia efectiva del pie en la presencia de un material superficial grueso. En la Figura 19, se encuentran los valores de Cs para b = 0,08 m.

0,020 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3

0,9

1

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,95

-0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9

Espesor del material superficial, hs (metros)

k= -0,1

k= -0,95

k=

Figura 19 Cs vs. Hs Otro metodo para cacular el valor de Cs es por medio de la siguiente ecuacin emprica; con la cual se obtienen valores dentro del 5 % de los obtenidos con el mtodo analtico mostrado en la Figura 19.

0902

1090

1,h

,

Cs

ss +

=

(27)


31

4.4 CRITERIO DE TENSIN TOLERABLE 4.4.1 Condiciones de riesgo Las Figuras 20 y 21 muestran situaciones bsicas que implican a una persona y a las instalaciones elctricas puestas a tierra durante una falla. Para un contacto de pie a pie, el circuito equivalente est en la Figura 17, y su tensin es igual a Es (tensin de paso). Los tres ejemplos de contacto mano-pie se aplican la Figura 20 y la tensin es igual a Et (tensin de contacto), Em (Tensin Mesh), Etrrd (tensin transferida), respectivamente. En la Figura 20 tambin se muestra el contacto con dos masas metlicas. En subestaciones convencionales, el caso tpico de la tensin de contacto con dos masas metlicas ocurre cuando los objetos o las estructuras dentro de la subestacin no estn unidos a la malla de puesta a tierra. Una considerable tensin de contacto metal-metal puede estar presente cuando una persona que est parada tocando un objeto o estructura puesto a tierra, llega a estar en contacto con otro objeto que no estn en contacto con la malla de tierra. El clculo real de la tensin de contacto metal-metal es complejo. En la prctica, los peligros que resultan de este contacto pueden ser evitados conectando dichos puntos de peligro potencial con la malla de la subestacin. Tpicamente, el caso de la tensin transferida ocurre cuando una persona que est parada en una subestacin, toca un conductor puesto a tierra en otra subestacin. Durante condiciones de falla, el potencial de tierra resultante puede igualar o exceder el GPR. En efecto, la tensin transferida puede exceder la suma de los GPR de ambas subestaciones, debido a las tensiones inducidas en los circuitos de comunicacin, alambres estticos o conductores de neutro, las tuberas, etc. Es poco prctico y a menudo imposible, disear una malla de tierra basada en la tensin de contacto causada por las tensiones transferidas.

Tensin decontacto

metal-metal

Tensinde paso

Tensin decontacto Tensin mesh Tensin transferida

Tierra remotaTierra remota

Emm

1 metro

Es

EtEm Etrrd=GPR

Figura 20. Condiciones de riesgo


32

GPR Subestacin 1

GPR Subestacin 2

E trrd

Subestacin 1 Subestacin 2

Potencial 0

I

Ruta de conduccinentre subestaciones

f

Perfil de la tensin superficial

Figura 21. Condicin del potencial transferido 4.4.2 Tensin de paso y de contacto La seguridad de una persona depende de evitar que la cantidad crtica de energa del shock elctrico sea absorbida antes de que sea despejada la falla y el sistema sea desenergizado. La mxima tensin que se presenta en un circuito de falla cualquiera no debe exceder los lmites definidos a continuacin. Para la tensin de paso el lmite es:

( ) BfBpaso IRRE 2+= (28) Para un peso corporal de 50 kg:

( )s

sspasot

,C,E

116006000150 += (29)

Para un peso corporal de 70 kg:

( )s

sspasot

,C,E

157006000170 += (30)

En forma similar la tensin de contacto lmite es:

Bf

BContacto IR

RE

+=

2 (31)


33


( )s

sContactot

,Cs,E

116051000150 += (32)

Para un peso de 70 kg:

( )s

sContactot

,Cs,E

157051000170 += (33)

en donde

Epaso: = Es la tensin de paso en V. Econtacto: = Es la tensin de contacto en V. Cs = Es determinado de la ecuacin (27). s = Es la resistividad del material de la capa superficial en -m Ts = Es la duracin de la corriente de shock en segundos.

Si no se utiliza capa superficial protectora, entonces Cs = 1 y s =. Los lmites de contacto metal-metal se derivan de las Ecuaciones (32) y (33). El contacto metal-metal, mano-mano y mano-pie, podra resultar en s = 0. Por lo tanto, la resistencia total del circuito equivalente de falla es igual a la resistencia del cuerpo. Con la sustitucin de s = 0 en los trminos de la resistencia del pie de la Ecuacin (32) y de la Ecuacin (33), el lmite de la tensin de contacto del metal-metal ser: Para un peso corporal de 50 kg:

sContactomm

tE

11650 = (34)


sContactomm

tE

15770 = (35)

en donde

Emm = es la tensin de contacto metal-metal en V. Las tensiones de paso, contacto o contacto metal-metal, podran ser menores que la mxima tensin lmite para garantizar la seguridad. Los peligros de las tensiones transferidas pueden evitarse con aislamientos, dispositivos de proteccin o sealizando estos puntos.


34

CAPTULO 5. MEDICIN Y MODELAMIENTO DEL SUELO El suelo donde se ubican los electrodos de puesta a tierra raramente posee una resistividad uniforme, la variacin de resistividades suele suceder en forma vertical u horizontal o una combinacin de las dos. Las pruebas de resistividad se realizan para determinar si hay alguna variacin importante con respecto a la profundidad del suelo. Los registros de resistividad deben complementarse con datos de temperatura, pH, contenido de humedad del suelo e inclusive el color. Al igual deben ser registrados todos los datos disponibles acerca de objetos metlicos enterrados en el rea bajo estudio. 5.1 MEDIDAS DE RESISTIVIDAD En la norma IEEE 81-1983 se describen en detalle una serie de tcnicas o mtodos de medicin de resistividad del suelo, dentro de las cuales, el de los cuatro electrodos es el ms usado. El nmero de lecturas debe aumentarse cuando se presenten mayores variaciones de resistividad tanto vertical como horizontal. Es aconsejable realizar mediciones en diferentes puntos del rea bajo estudio y en varias direcciones (normalmente perpendiculares) con el fin de compararlas y poder identificar errores por la presencia de objetos metlicos enterrados. Si la resistividad vara considerablemente con la profundidad, es aconsejable incrementar la distancia entre los electrodos de prueba, con el fin de obtener valores precisos de las capas ms profundas. Esto debido a que a mayor separacin, la corriente penetra ms capas de suelo tanto de forma vertical como horizontal. Los objetos conductivos grandes en contacto con el suelo, pueden invalidar las lecturas si estn lo suficientemente cerca para alterar el flujo de corriente del telurmetro. Por esta razn, las medidas de resistividad se van a distorsionar en el rea donde hayan conductores. 5.1.1 Mtodo de los Cuatro Electrodos Conocido como tetraelectrdico. En este mtodo, cuatro electrodos de prueba son enterrados en lnea recta, a una distancia de separacin (a) y a una profundidad (b). La tensin (V) entre los dos electrodos ms cercanos se divide por la corriente (I) que circula entre los dos electrodos ms lejanos para obtener un valor de resistencia (R). Existen tres variaciones al mtodo de los cuatro electrodos que son comnmente usadas: a) Mtodo de Wenner: En este mtodo, todos los electrodos estn espaciados

uniformemente, y usualmente son enterrados a una profundidad menor al 10 % de la distancia entre dos electrodos adyacentes, como se muestra en la Figura 22 As, cada electrodo podr parecer un punto con respecto a las distancias involucradas en la medida. El valor de resistividad obtenido de la medicin es el calculado por medio de la siguiente ecuacin:

2222 4

21

4

ba

a

ba

aaR

a

+

++

= (1)

en donde

a = Es la resistividad del suelo en -m


35

R = Es la medida de resistencia en a = Es la distancia entre electrodos adyacentes en m b = Es la profundidad de los electrodos ms lejanos en m

I

V

A M N B

b

aaa

A M N B

A M N Bn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

Figura 22. Mtodo de Wenner Si (b) es pequeo comparado con (a) (relacin de b/a igual o menor a 1/20), por ejemplo cuando las varillas son enterradas a una pequea profundidad, la ecuacin (1) puede ser reducida a:

aRa 2= (2) Cuando los electrodos quedan a poca distancia entre ellos, la corriente fluye de forma superficial. Por tanto, a mayor separacin, la corriente penetra las capas mas profundas del suelo. Este mtodo es el ms empleado debido a su fcil implementacin y formulacin matemtica y en algunas aplicaciones los equipos de medida traen incorporada internamente la ecuacin para el clculo de resistividad. Se recomienda realizar dos mediciones perpendiculares entre si, teniendo como eje el mismo punto que se est evaluando. Estas mediciones se deben realizar con las mismas distancias de separacin entre electrodos para poder realizar la comparacin. En la prctica se recomienda promediar las dos mediciones y de esta forma tener un solo valor para cada distancia entre electrodos. Ventajas: - Mtodo de mayor aplicacin en puestas a tierra - Ideal para pequeos volmenes de suelo


36

- Aplica tambin para grandes volmenes de suelo. - Si b< 0,1a, la resistividad es: = 2aR Desventajas: - Para grandes separaciones entre electrodos, el potencial decae rpidamente, lo

cual limita su aplicacin. - Instrumentos comerciales no miden correctamente estos potenciales.

b) El mtodo de Schlumberger: En este mtodo, para lograr medidas a gran profundidad, los electrodos de corriente deben quedar muy alejados (hasta kilmetros), mientras los electrodos de potencial son dejados en la misma posicin, como se muestra en la Figura 23. Por lo tanto, la distancia entre los electrodos de potencial puede ser considerada pequea en comparacin con la distancia entre los electrodos de corriente. La formula que se usa en este caso es la mostrada en la Ecuacin (3). ( )

dRdcc += (3)

I

V

A M N B

b

aa5a

A M N B

A M N Bn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

Figura 23. Mtodo de Schlumberger c) Mtodo Dipolo - Dipolo: Conocido como mtodo de A.L. Kinyon. En este tipo de

arreglo los electrodos de corriente AB y los de potencial MN mantienen la distancia constante, variando la distancia entre los polos formado por cada par de electrodos, como se observa en la Figura 24. La distancia utilizada para los perfiles de resistividad es la BM.


37

I

V

A M N B

b

cdc

A M N B

A B M Nn = 4

n = 3

n = 2

n = 1

Figura 24. Mtodo segn el dispositivo dipolo-dipolo Con este mtodo se obtiene el valor de resistividad de las capas profundas sin necesidad de enterrar la varilla a dicha profundidad. No se requiere equipo pesado para realizar la prueba. Los resultados no se alteran de manera significativa por los valores de resistencia de las varillas de prueba o por su contacto. Ventajas: - Mtodo seguro. - De aplicacin para grandes volmenes de suelo. - d > c - Si b


38

Los modelos de resistividad del suelo ms usados son el de las dos capas (suelo no homogneo) y el de una capa, dado que para suelos que no son muy complejos, ofrecen una aproximacin cercana a su comportamiento real sin complicar en exceso su anlisis. Adicionalmente, existen modelos multicapas que pueden ser usados para condiciones de suelos ms heterogneas, que involucran un mayor grado de complejidad en su anlisis, cuando se realiza el clculo de resistencia de puesta a tierra o potenciales en la superficie del terreno. El modelo de suelo homogneo debe ser usado slo cuando hay una mnima variacin de la resistividad aparente. Si hay una gran variacin en las medidas de resistividad aparente, este modelo no es recomendable para producir resultados precisos. El modelo de las dos capas consiste en tomar una capa superior de profundidad finita y una capa ms profunda de espesor infinito. Existen diversos mtodos matemticos para determinar estas capas a partir de las resistividades aparentes obtenidas de pruebas hechas en campo. En algunos casos se puede representar a partir de la inspeccin visual de una grfica de resistividad aparente vs. profundidad de exploracin o en otros casos a partir de resistividades aparentes vs. espaciamiento de las puntas utilizadas en el mtodo de Wenner. En algunos casos los clculos de resistividad del suelo pueden oscilar entre valores mnimos y mximos. En tales casos se requiere un modelo multicapa.

5.1.1 Caso de suelo homogneo Un modelo de suelo homogneo se puede usar en lugar de un modelo de mltiples capas cuando las herramientas de cmputo no estn disponibles. Un valor promedio de la resistividad del suelo puede usarse como una primera aproximacin o para establecer un orden de magnitudes. La resistividad aproximada del suelo homogneo se puede obtener tomando un promedio aritmtico de las resistividades aparentes medidas como se muestra en la siguiente ecuacin:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )n... naaaa

_proma ++++= 3211 (4)

en donde

(1) ( 2) (3) ( )...a a a a n + + + + = son las medidas de resistividad aparente obtenidas a diferentes espaciamientos en el mtodo de los cuatro electrodos en m. (n es el nmero total de medidas).

La mayora de los suelos no se encuentran de acuerdo con el criterio de la Ecuacin (4). Debido a que las ecuaciones de tensiones de paso y contacto de la norma se basan en modelos de suelos homogneos, se puede aproximar un suelo no homogneo a un suelo homogneo, con la siguiente ecuacin:

( ) ( ) ( )22minamxa

_proma += (5)

en donde

a(max) = Valor mximo de resistividad aparente (dato medido) en m. a(min) = Valor mnimo de resistividad aparente (dato medido) en m.


39

Debido a que incluye suposiciones, se debe aplicar con precaucin la Ecuacin (5), pues no aplica para una malla de puesta a tierra sin varillas. Adems, si la resistividad del suelo homogneo para calcular la malla de puesta a tierra se calcula por medio de la Ecuacin (5), las varillas deben ser enterradas al menos hasta alcanzar la profundidad donde la resistividad medida corresponde al valor calculado a(prom_2). Existen varios mtodos para aproximar un suelo no homogneo con uno de suelo homogneo. Uno ellos incluye el uso del promedio de la resistividad aparente de la capa superficial para calcular las tensiones de paso, de contacto y el valor promedio de la resistividad aparente de la capa ms profunda para calcular el valor de resistencia de la puesta a tierra. 5.1.2 Caso de suelo no homogneo Cuando las variaciones en las mediciones de resistividad llevan a la suposicin de un suelo no homogneo, es posible realizar dos tipos de aproximaciones. La primera consiste en modelar el suelo no homogneo como un suelo homogneo por medio del Modelo de Box-Cox, siempre y cuando el comportamiento de las mediciones de resistividad en funcin de la profundidad del suelo no presente grandes variaciones. El segundo tipo de aproximacin es el modelo de dos capas, que aplica para casos donde las variaciones de resistividad son notables con respecto a la profundidad del suelo. Por ejemplo, es posible a partir de lecturas tomadas en campo con un amplio rango de espaciamiento entre electrodos, deducir una estratificacin del suelo en dos o ms capas. 5.1.2.1 Modelo de Box-Cox Es un mtodo probabilstico, en el cual, a partir de los datos obtenidos en campo y asumiendo suelo homogneo, se calcula un valor de resistividad con una probabilidad del 70 % de no ser sobrepasado. Partiendo de los n datos de resistividad de las lecturas en campo, se aplica el siguiente procedimiento: 1. Se tabulan los datos de resistividad aparente medida i. 2. En una columna se colocan los logaritmos naturales de cada una de las medidas Xi = ln i.

3. Se halla el promedio de los logaritmos de las resistividades x: n

X

x

ni

ii=

== 1 . 4. En otra columna se coloca el resultado de (Xi x)2.

5. Se calcula la desviacin estndar S: ( )

n

xX

S

ni

ii=

=

= 12

.

6. De la distribucin normal se toma Z para 70 %: 0,524411. 7. Se halla la resistividad (con probabilidad del 70 % de no ser superada) por la siguiente

frmula:


40

( )xSZlnAnti += A continuacin se presenta un ejemplo: La Tabla 2 muestra los valores de resistividad aparente. En este caso se obtuvieron medidas a 1 m, 3 m, 5 m y 7 m de separacin de electrodos.

Tabla 2. Valores de resistividad aparente

Separacin (m) RUTA 1 RUTA 2 Promedio 1 32,54 36,13 34,33 3 64,84 57,68 61,26 5 75,71 69,42 72,56 7 93,24 81,36 87,30

Aplicando el procedimiento al conjunto de todas las medidas se obtiene la Tabla

Tabla 3. Transformacin de Box-Cox

i X i =Lni (X i - x)2 32,54 3,48 0,38

64,84 4,17 0,01

75,71 4,33 0,05

93,24 4,54 0,19

36,13 3,59 0,26

57,68 4,05 0,00

69,42 4,24 0,02

81,36 4,40 0,09

Suma 510,92 32,80 1,00 Promedio 63,87 4,10 0,13 Desviacin Estandar 21,15 0,35 Resistividad con el 70% 72,24 = Anti Ln (0,35 * 0,524411 + 4,10) = Anti Ln (4,28) = 72,24 m

5.1.2.2 Modelo de dos capas Un suelo de dos capas puede ser representado por una capa superior de profundidad finita y una capa inferior de profundidad infinita.

1

2

h

Figura 25. Modelo de dos capas

El cambio abrupto de resistividad en las fronteras de cada capa de suelo es descrito por medio de un factor de reflexin K, definido por la siguiente ecuacin.


41

21

12

+=k (6)

en donde

1 = es la resistividad del la capa superior del suelo en m 2 = es la resistividad del la capa inferior del suelo en m

En la mayora de los casos los clculos de una puesta a tierra basado en un modelo de suelo de dos capas es suficiente para disearla. Para su anlisis, es necesario contar con ecuaciones analticas que tengan en cuenta las dos capas o usar programas de computadora que permitan realizar clculos complejos. La IEEE Std 81-1983, suministra mtodos para determinar las resistividades equivalentes de la capa superior e inferior de un suelo y la altura de la capa superior del modelo. 5.1.2.3 Modelo de dos capas por mtodos grficos Un modelo de dos capas puede ser obtenido por varios mtodos. El de Sunde se usa para lograr una aproximacin con una grfica que se basa en los datos de resistividad obtenidos por el mtodo de Wenner y que se muestra en la Figura 26, con notaciones revisadas para esta norma. Los parmetros 1 y 2 se obtienen por inspeccin de las medidas de resistividad (vase ejemplo). h se obtiene por el mtodo grfico de Sunde, como sigue: a. Se traza un grfico de resistividad aparente a sobre el eje Y versus el espaciamiento

entre electrodos de prueba sobre el eje X. b. Se estima 1 y 2 a partir del grfico trazado en a) 1 corresponde a un tramo pequeo

y para un espacio grande 2. Se debe prolongar el grfico de resistividad aparente en los extremos si los datos tomados en campo son insuficientes.

c. Se calcula 2 / 1 y seleccionar una curva sobre el grfico de Sunde en la Figura 26,

que coincida con este valor o dibuje una nueva curva sobre la grfica. d. Se selecciona, sobre el eje Y el valor de a/1 dentro de la regin inclinada de la curva

apropiada 2/1 . e. Se lee el valor correspondiente de a/h sobre el eje X. f. Se calcula a multiplicado por el valor seleccionado, a/1, en (d) por 1. g. Se lee el espaciamiento correspondiente a partir de la resistividad aparente del grfico

trazado en a. h. Se calcula h, la profundidad de la capa superior, usando la separacin apropiado a. El siguiente ejemplo ilustra el mtodo grfico de Sunde. a. Trazar la Figura 27. b. Escoger 1 = 100 m y 2 = 300 m. 2/1 = 300/100 = 3


42

c. Dibujar la curva sobre la Figura 26 d. Seleccionar a/1 = 2 e. Leer a/h = 2,7 apartir de la Figura 26 para a/1 = 2 f. Calcular a: a = 21 = 2(100) = 200 g. Leer a = 19 sobre la curva de resistividad aparente para a = 200 h. Calcular h as: h = 19/2,7 = 7,0 m (23 ft)

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

1

1000

500

200

100

50

20

10

5

2

1

,001

,002

,005

,01

,02

,05

,1

,2

,5

,001

,002

,005

,01

,02

,05

,1

,2

,5

,1 ,2 ,3 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000a/h

P /

P1

a

P / P1a

Figura 26 Mtodo grfico de Sunde


43

300

250

200

150

100

50

00 5 10 15 20 25 30 35 40 5045

Probe spacing (m

Res

istiv

ity (O

hm-m

)Apparent Resistivity Pa

Figura 27. Grfica de resistividad Tipo de suelo 1 5.1.2.4 Otros modelos Si la frontera que separa dos capas de tierra con diferentes resistividades no es horizontal, la solucin matemtica para la funcin de potencial es difcil de obtener. Sin embargo, cuando el ngulo que forma la frontera y la superficie del terreno es de 90, es relativamente fcil obtener una solucin. En la prctica, el modelo de terreno en capas verticales se puede utilizar cuando se desea simular, entre otros factores, una falla geolgica. La siguiente figura muestra este caso.

1 2

Figura 28. Modelo de capas verticales Adems de los modelos ya mencionados, existen otros menos comunes como son el exponencial y el hemisfrico. Como su nombre lo indica, en el modelo exponencial, la resistividad del suelo vara exponencialmente con la profundidad. Este modelo es usado algunas veces para el clculo de parmetros en lneas de transmisin. Tiene la ventaja que slo involucra dos variables, la resistividad en la superficie 0 y la tasa de variacin con la profundidad. El modelo hemisfrico consiste en una o ms semiesferas concntricas cada una de resistividades y radios conocidos, rodeadas por suelo homogneo. Este modelo se usa para representar algunas situaciones prcticas en donde una heterogeneidad relativamente pequea puede tener una gran influencia en los potenciales de los puntos sobre o cercanos a ella; por ejemplo, cuando se realiza tratamiento del terreno con suelos artificiales.


44

CAPTULO 6. DISEO A continuacin se presenta la metodologa de diseo para una puesta a tierra de baja frecuencia (hasta 9 kHz). En el caso de presentarse interaccin con otras puestas a tierra o tuberas, es necesario que el ingeniero diseador realice un estudio detallado con una metodologa apropiada. Este capitulo est dividido en dos partes. La primera comprende la metodologa de diseo de la norma IEEE-80, la cual cubre las mallas simtricas (cuadradas, rectangulares o en forma de ele). La segunda parte comprende otras geometras; adicionalmente se incluye en un anexo con casos especficos de puesta a tierra como varillas, contrapesos y estrellas. 6.1 DISEO SEGN NORM

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