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Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica. Curso: Instalaciones Eléctricas Industriales. Tema:

PUESTA A TIERRA DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES

CONTENIDO • Objetivos. • Introducción. • Fundamento. Sistema de Puesta a tierra. Función del Sistema de puesta a tierra. • Puesta a tierra. De operación De seguridad. Temporaria. • Diseño de la Puesta a tierra. • Aplicaciones Practicas

OBJETIVOS: • Analizar las normativas y los métodos de cálculo existentes para el diseño de puesta a tierra en Instalaciones eléctricas, instalaciones donde se genere, transmite o utilice electricidad. • Estudiar los principales características de los materiales usados en sistemas de Puesta Tierra. • Establecer los requerimientos que se deben cumplir para el diseño de un sistema de puesta a tierra para subestaciones convencionales en MT. • Elaborar una metodología acorde a los requerimientos para el diseño de un sistema de puesta a tierra en subestaciones compactas.

INTRODUCCIÓN. • Los Sistemas de puesta a tierra tiene como finalidad principal proteger la vida de las personas que se encuentran de alguna manera en o con equipos que usan electricidad; También los sistemas de puesta a tierra son usados para proteger los propios equipos en caso de alguna descarga atmosférica o alguna falla del sistema eléctrico. • Los sistemas de puesta a tierra son de instalación obligatoria en toda instalación eléctrica, se encuentran normadas por el código nacional de electricidad (CNE) y las principales normas internacionales.

FUNDAMENTO. Sistema de puesta a tierra Según la IEEE, un sistema de puesta a tierra es: “es una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la masa de la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensiones relativamente grandes que cumple la misma función que la masa de la tierra”.

Un sistema de puesta a tierra. 1.Carcasas o estructuras metálicas. 2. Conductores de acoplamiento, etMalla de tierra.

DEFINICIONES FUNDAMENTALES TENSION DE PASO. Es la diferencia de potencial entre dos puntos ubicados sobre la superficie del suelo (alrededor de la puesta a tierra) separados una distancia de un metro. TENSION DE O. Es la diferencia de potencial a la que puede verse sometido el cuerpo humano como consecuencia del o con los tanques, gabinetes o estructuras metálicas, de la instalación cuya función no es la conducción de corriente, pero que en un momento dado pudieran estar energizadas como consecuencia de una falla de aislamiento.

La tensión de paso máxima permisible para una persona está dado por la siguiente fórmula (el subíndice indica el peso en kg de la persona):

Donde: ts : duración de la corriente de choque, s Cs: factor de reducción que depende del espesor de la capa exterior de la superficie de la subestación hs, y del factor de reflexión K. Cs = 1, cuando la resistividad de la capa de acabado es igual a la del terreno (ρs=ρ)

ρs: resistividad de la capa de acabado de la superficie de la subestación; por lo general de emplea piedra chancada; valores típicos se encuentran en el rango entre 2 000 Ωm y 5 000 Ωm (un valor normalmente utilizado es 3 000 Ω m). ρ: resistividad del terreno, Ω m. 15

La tensión de o máxima permisible para una persona está dado por la siguiente fórmula (el subíndice indica el peso en kg de la persona): Donde: ts : duración de la corriente de choque, s Cs: factor de reducción que depende del espesor de la capa exterior de la superficie de la subestación hs, y del factor de reflexión K. Cs = 1, cuando la resistividad de la capa de acabado es igual a la del terreno (ρs=ρ)

ρs: resistividad de la capa de acabado de la superficie de la subestación; por lo general de emplea piedra chancada; valores típicos se encuentran en el rango entre 2 000 Ωm y 5 000 Ωm (un valor normalmente utilizado es 3 000 Ω m). ρ: resistividad del terreno, Ω m.

Factor de reducción Cs como una función del factor de reflexión K y el espesor de la capa exterior superficial h.

DEFINICIONES FUNDAMENTALES RESISTIVIDAD. La resistividad ρ, es un parámetro característico de los medios conductores, su unidad en el sistema MKS es el Ω.m, y se expresa por medio de[ρ]: ELECTRODO. Es un objeto conductor a través del cual se establece una conexión directa a tierra

Puesta a tierra: De operación Sistemas de Puesta a para protección de equipamientos, fenómenos atmosféricos e instalaciones de uso especial .Tenemos: • Instalación con neutro corrido a tierra. Uso en Transformadores cuya configuración así lo indique • Instalación de tierra para protección de descargas atmosféricas, especialmente para uso en pararrayos. En este tipo de puesta a tierra la resistencia deberá ser menor a 10 Ohm.

Puesta a tierra: De operación • Puesta tierra para protección de líneas de transmisión, y transformadores de Potencia protección contra back flashover. • Puesta a tierra para protección de sistemas de Alta y Media tensión , disipación de la corriente de fuga, propias de los sistemas eléctricos. En todo sistema de Transmisión cada aislador, estructura deberá estar conectada a tierra.

Puesta a tierra: De Seguridad. • La misión principal de este sistema de Puesta a tierra es proteger a las personas. • En caso que en alguna parte de instalación o equipo exista una falla de aislamiento el sistema de Puesta a tierra disipara la corriente de falla hacia la tierra, evitando así el o directo. EL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA NO REMPLAZA AL INTERRUPTOR DIFERENCIAL

Puesta a tierra: Temporaria. • Puesta a tierra de uso temporal, es un sistema de aterramiento que se instala solo por un periodo de tiempo determinado , usualmente instalada cuando se realiza mantenimientos y mediciones a equipamientos de alta y media tensión • consta de equipos especiales cuya finalidad es proteger a las personas encargadas de intervenir en los equipos. • Luego de finalizada las labores de mantenimiento los equipamientos especiales de la puesta a tierra temporaria son retirados.

DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA.

Procedimiento para el diseño del sistema de puesta a tierra. En general, los dos objetivos que se han de alcanzar en el diseño de una instalación de puesta a tierra son:

1) La seguridad para las personas, tanto para aquellas que han de manejar las instalaciones eléctricas, como para las que no han de manejarlas, pero que se encuentran en las zonas de influencia de las instalaciones

2) La fiabilidad de las instalaciones eléctricas, mediante la detección de las corrientes que circulan a tierra desde la instalación y la posterior eliminación del defecto.

SEÑAL CARACTERISTICA DE UN POZO A TIERRA (PAT)

Procedimiento para el diseño del sistema de puesta a tierra. Para cumplir ambos objetivos, ha de seguirse el siguiente procedimiento general, una vez tenidas en cuenta las tensiones máximas aplicadas al cuerpo humano:  Investigación de las características del terreno.  Determinación de las corrientes máximas de puesta a tierra y del correspondiente tiempo máximo de eliminación del defecto.  Diseño preliminar del sistema de puesta a tierra.  Cálculo de la resistencia del sistema de puesta a tierra.  Cálculo de las tensiones de paso en el exterior de la instalación.  Cálculo de las tensiones de paso y o en el interior de la instalación  Cálculo de las tensiones aplicadas.  Corrección y ajuste del diseño inicial estableciendo el definitivo.

De esta manera, en base a las tensiones máximas que el cuerpo humano es capaz de soportar (Vca), las tensiones de paso (Vp) y de o (Vc) isibles en una instalación, considerando todas las resistencias que intervienen en el circuito. Estos valores han de compararse con los que realmente produce la instalación diseñada, comparación que requiere que los valores reales de Vc y Vp se calculen, a partir de la instalación diseñada.

RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS La resistividad es una característica de todos los materiales sean conductores o no conductores, se expresa por medio de la letra [ρ], y está dado por la fórmula: De donde: R : resistencia eléctrica expresada en Ω. s : sección transversal del conductor en m2. l :longitud del conductor en m.

Para el caso de la resistividad del terreno, se determina midiendo la resistencia que opone al paso de la corriente 01 metro cubico de terreno, pasando la corriente de una arista a otra en dirección transversal a una de las caras del cubo. En la figura 8 se ejemplifica lo mencionado.

RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS Factores que afectan la resistividad del terreno

        

Tipo de terreno. Porcentaje de humedad. Composición química del terreno. Compactación del material. Sistema de puesta a tierra y servicios auxiliares Grado de temperatura del terreno. Niveles de estratificación del suelo. Mezcla de diferentes tipos de componentes. Cambios estacionales de la zona.

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Determinación de la resistividad del terreno. El “Método Wenner”, de los 4 electrodos, es la técnica más usada y recomendada por las normas internacionales. En resumen, consiste enterrar 04 electrodos una profundidad “b” en el terreno bajo análisis y dispuestos en línea recta y separados una misma distancia “a “.

ρa = Resistividad aparente del terreno (Ω.m) R = Resistencia medida (Ω) a = Distancia entre electrodos adyacentes b = Profundidad de los electrodos Si “b” es pequeño comparado con el valor de “a”, como es el caso de los electrodos que se usan en mediciones de resistividades entonces la ecuación anterior se simplifica a la siguiente expresión:

RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS SEGÚN SU NATURALEZA

Componentes que conforman un sistema de puesta a tierra. Electrodos de tierra. El electrodo es el elemento principal del sistema de puesta a tierra, es quien canalizara las corrientes de defecto al terreno, por lo tanto al estar en o con el terreno deberá tener propiedades eléctricas y mecánicas para soportar las diferentes condiciones a la que estará sometida, sobre todo a la corrosión. Como propiedad eléctrica debe tener buena conductividad, en la mayoría de los casos se utiliza el cobre por ser un material económico y cumple con lo requerido en un sistema de puesta a tierra.

Componentes que conforman un sistema de puesta a tierra. Conexiones Las conexiones de los sistemas de puesta tierra debe ser realizada con sumo cuidado, usualmente se usa la soldadura cadwell, para una buena fusión del conductor de puesta a tierra y la varilla, este tipo de soldadura permite una buena conductividad, baja corrosión, y robustez mecánica. Otro medio de conexión es mediante un perno llamado conector “AB”, usualmente para conectar el pozo de puesta a tierra y la varilla de cobre enterrada.

Tipos de sistemas de Puesta a tierra Sistema a base Electrodos de cobre Barras Las barras de cobre verticales son las comúnmente utilizadas para los sistemas de puesta a tierra. Últimamente se está utilizando las barras bañadas en cobre llamadas copperwell, ya que su dureza y robustez a soportar las condiciones a la que será enterrada las hacen más requeridas, aparte del precio con respecto a una barra de cobre.

Para un electrodo de cobre vertical la formula de resistencia del sistema es:

Donde : Pe: Resistividad especifica del suelo(ohm.m) L: Longitud del electrodo de cobre en metros (m) a: radio del electrodo

Tipos de sistemas de Puesta a tierra Sistema a base de placas de cobre Placas Son planchas de acero galvanizado o cobre que tienen mayor o con el terreno, por lo que se podría obtener un mejor valor de resistencia de puesta a tierra.

Para una placa de cobre la formula de resistencia del sistema es:

Donde : L: profundidad máxima a la que se entierra la placa (m) Pe: Resistividad equivalente del terreno que está en o con la placa. [Ω-m]

Tipos de sistemas de Puesta a tierra Sistema horizontal Electrodos horizontales Sistema usualmente usado donde la resistencia especifica del suelo varia con la profundidad. Pueden ser de cobre o cintas de acero galvanizado, usualmente planas, para tener mayor o con el terreno, o también es utilizado los cables desnudos de 70 u 95 mm2 enterrados en forma horizontal. La resistencia de puesta a tierra que se puede obtener con esta configuración con un conductor cilíndrico de radio “a” (m) y longitud “l” (m), enterrado a una profundidad “h” (m), siendo h<1 es:

Tipos de sistemas de Puesta a tierra Sistema de puesta a tierra en malla Mallas Cuando es necesario obtener bajos valores de resistividad, en un terreno de media a alta resistividad, es necesario realizar una configuración tipo malla, que se compone de electrodos verticales y electrodos horizontales interconectados todos para hacer un sistema único de puesta a tierra. Para una placa de cobre la formula de resistencia del sistema es: Donde: ρe : resistividad equivalente del terreno [Ω-m] S : superficie que cubre la malla [m2] L : longitud total de conductor de la malla [m]

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Selección del conductor de puesta a tierra y de las uniones

Consideraciones generales. Cada elemento del sistema de puesta a tierra, incluyendo conductores, uniones, cables de conexión, varillas, etc., debe ser diseñado teniendo en cuenta lo siguiente: • Tener suficiente conductividad para no crear diferencias de tensiones locales peligrosas. • Resistir la fusión y el deterioro mecánico bajo las condiciones más adversas de corriente de falla en cuanto a magnitud y duración. • Sistema de puesta a tierra y servicios auxiliares • Ser mecánicamente confiable y fuerte, especialmente en áreas a corrosión y daño físico. • El primer requerimiento en cuanto a la alta conductividad es usualmente alcanzado cuando se trata de satisfacer los otros dos requerimientos. • El material más utilizado para los conductores y electrodos de las mallas de tierra es el cobre debido a su alta conductividad y a su resistencia a la corrosión cuando está enterrado.

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Selección del conductor de puesta a tierra y de las uniones Tamaño de los conductores La fórmula de Sverak, incluida a continuación, evalúa la capacidad de corriente de cualquier conductor para el cual se conocen las características del material:

Donde: I : corriente eficaz, kA Ac : área del conductor, mm2 Tm : temperatura máxima permitida, °C Ta : temperatura ambiente, °C Tr : temperatura de referencia para el material, °C α 0 : coeficiente térmico de resistividad a 0 °C, 1/°C α r : coeficiente térmico de resistividad a la temperatura Tr, 1/°C p r : resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr, μΩcm K0 : 1/α0, °C Tc : tiempo que fluye la corriente, s TCAP : factor de capacidad térmica, J/(cm3 °C)

Selección del conductor de puesta a tierra y de las uniones

DIMENSIONAMIENTO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Selección del conductor de puesta a tierra y de las uniones Selección de las uniones

Los métodos más comunes para efectuar las uniones del sistema de puesta a tierra son la soldadura exotérmica, las abrazaderas y los conectores a presión. Algunas guías para su utilización son: Si por razones mecánicas, el recocido del conductor es una cuestión de consideración, es prudente no exceder 250 °C, independientemente del tipo de unión o conexión. Las uniones del tipo soldadura exotérmica deberán unir íntimamente los conductores de tierra con un molde que tiene las mismas características de fusión que los mismos conductores, de tal forma que toda la conexión puede ser tratada como si fuera parte integral de un conductor homogéneo. Los conectores de presión pueden ser generalmente de dos tipos: los pernados y los de compresión. Es razonable diseñar estos conectores para un rango entre 250 °C y 350 °C.

INSTALACIONES QUE DEBEN PONERSE A TIERRA Hay que considerar dos sistemas de puesta a tierra diferentes: Puesta a tierra de protección. Se conectan a esta toma de tierra las partes metálicas interiores de la subestación que normalmente están sin tensión, pero que pueden estarlo a consecuencia de averías, accidentes, descargas atmosféricas o sobretensiones; entre las principales partes tenemos: • Las carcasas de los transformadores. • Los chasis y bastidores de los aparatos de maniobra. • Las envolventes y armazones de los conjuntos de aparamenta MT (cabinas, celdas). • Los armarios con aparatos y elementos de BT. • Las pantallas de cobre y/o blindajes de los cables MT. En general, todos aquellos elementos metálicos que contengan y/o soporten partes en tensión, las cuales, por un fallo o contorneo de su aislamiento, a masa, puedan transmitirles tensión.

INSTALACIONES QUE DEBEN PONERSE A TIERRA Hay que considerar dos sistemas de puesta a tierra diferentes: Puesta a tierra de servicio Se conectan a esta toma de tierra puntos o elementos que forman parte de los circuitos eléctricos de MT y de BT, tales como: • En los transformadores de potencia, el punto neutro del secundario BT, cuando esto proceda (sólo para sistemas de MT de 22,9 kV; tienen neutro en MT). • En los transformadores de intensidad y de tensión, uno de los bornes de cada uno de los secundarios. El conductor de puesta a tierra de estos circuitos no deberá tener una sección menor a 4 mm2 según se indica en el CNE Suministro. • En los seccionadores de puesta a tierra, el puntode cierre en cortocircuito de las tres fases y desconexión a tierra.

CÁLCULOS DE POZO A TIERRA. Se ha considerado una resistencia máxima de puesta a tierra menor a 25 ohms. De acuerdo al CNE-Utilización, Sección 060-712, para los pozos de media y baja tensión, se utiliza la siguiente expresión:

Donde: Rt : resistencia de la puesta a tierra, en ohm ρt : Resistividad del terreno en Ω.m L : Longitud del electrodo, en metros R : radio de electrodo, en metros

Teniendo en cuenta que es necesario obtener los 25 Ω de resistencia para los pozos de tierra de M.T. y B.T.; tratamos el terreno con tierra vegetal, mezclada con tratamiento especial la formula sera:

Donde: Rt : resistencia de la puesta a tierra, en ohm ρt : Resistividad del terreno en Ω.m ρpt : Resistividad del terreno tratado en Ω.m R : Radio de pozo de tierra L : Longitud del electrodo, en metros r : radio de electrodo, en metros

EJEMPLO

Las celdas metalclad o metalenclosed deben poseer un conductor (barra de cobre) de puesta a tierra a todo lo largo de las estructuras. La conexión de la celda u otros aparatos de la cabina, se conectaran a la puesta a tierra de la estructura metálica. La sección del conductor de puesta a tierra debe soportar la corriente nominal de cortocircuito asignada, durante 1 segundo y no será menor a 35 mm2. Valores máximos de puesta a tierra Basado en las normas: IEC 60364-4-442 ANSI/IEEE 80 NTC 2050 NTC 4552

Estos valores son los recomendados por algunas normas, pero la concesionaria de distribución, quien aprobara el proyecto es la quien fija el valor final de resistencia de puesta a tierra para la subestación, en el lado de MT.

APLICACIÓN PRACTICA.

Aplicación Practica • Los sistemas de Puesta a tierra son de uso obligatorio en toda instalación eléctrica. • Las normas nacionales e internacionales exigen el uso de sistemas de puesta a tierra en toda instalación eléctrica • El uso de los sistemas de Puesta a tierra protege a las personas y equipos.

Métodos de Medición de Resistencia del Sistemas de Puesta a tierra • MÉTODO DE LA CAIDA DE POTENCIAL -Telurometro • MÉTODO DE LA TIERRA CONOCIDA • METODO DE LAS DOS PINZAS • METODO DE UNA PINZA - Una pinza sin desconexión

RESUMEN

BIBLIOGRAFÍA • http://www.para-rayos.com/datos/gel20061.pdf • http://hugarcapella.files.wordpress.com/2010/03/manualde-puesta-a-tierra.pdf • http://www.29783.com.pe/legislaci%c3%b3n/legislaci %c3%b3n%20per%c3%ba/normas/ntp %20370.053%201999%20seguridad%20electrica.%20elecci %c3%b3n%20de%20los%20materiales.pdf • http://www.lu3hba.com.ar/articulos%2010/medicion%20de %20sistema%20de%20puesta%20a%20tierra.pdf • http://www.schneiderelectric.cl/documents/local/catalogos/de/cap8.pdf • http://www02.abb.com/global/clabb/clabb151.nsf/0/56d2e 9a6571b7952c1257a090076ead8/$file/control+&+protectio n+transformadores-+juan+mart%c3%adnez.pdf