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TEXTO DE ESTUDIO

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT Debido

a que las instalaciones y equipos eléctricos habitacionales, comerciales e industriales son manipuladas por personas, estas deben cumplir con la Norma NCH4-2003 en los aspectos esencialmente de seguridad, que eviten o eléctrico directo e indirecto con el . Por lo anterior la instalación eléctrica debe ser puesta a un electrodo eléctrico emplazado en un terreno o suelo tal, que permita hacer operar los dispositivos de seguridad de tablero en un tiempo dado y limite los niveles de corriente y/o voltaje a valores prescrito en Norma, que bajo ninguna condición signifique un peligro al final.

DANIEL VÍCTOR HENRÍQUEZ SANTANA

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA TIERRA BT - MT ********* AUTOR : Daniel Víctor Henríquez Santana, Ingeniero en Electricidad de la Universidad de Santiago de Chile. Diplomado en Evaluación de Proyectos de Inversión en la U. de Chile Facultad de Economía. Licencia SEC clase A. Relator externo de la UNIVERSIDAD DE CHILE Cenet en Electricidad avanzada, gestión de proyectos y istración de Servicios Técnicos. o: www.dhsing.cl , dhs [email protected] 08-3524371.

DERECHO DE AUTOR Derecho de Propiedad Intelectual Nº 168.591 vigente desde el 17/1/2008. Ley Chilena sobre Propiedad Intelectual Nº 17.336. Se prohíbe la reproducción total o parcial de éste texto de estudio para fines comerciales. Como así mismo, su tratamiento informático, o la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico, por fotocopias, por registros u otros métodos, sin la autorización expresa en forma escrita por el autor .

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PRÓLOGO Debido a que las instalaciones y equipos eléctricos habitacionales, comerciales e industriales son manipuladas por personas, estas deben cumplir con la Norma NCH4-2003 en los aspectos esencialmente de seguridad, que eviten o eléctrico directo e indirecto con el . Por lo anterior la instalación eléctrica debe ser puesta a un electrodo eléctrico emplazado en un terreno o suelo tal, que permita hacer operar los dispositivos de seguridad de tablero en un tiempo dado y limite los niveles de corriente y/o voltaje a valores prescrito en Norma, que bajo ninguna condición signifique un peligro al final. Por tanto, se deben realizar estudio del terreno, cálculos de electrodos, comprobación final de la resistencia puesta a tierra real y este análisis traducirlo a un Estudio Técnico para el cliente o empresa.

El Autor

INDICE MATERIAS

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1. NORMA ELÉCTRICA Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN 1.1. Origen del riesgo para las personas......................................................................................................1 1.2. o directo e indirecto Norma NCH4-2003...................................................................................2 1.3. Medidas de protección contra os eléctricos...............................................................................8 1.4. Medidas de protección clase A...........................................................................................................10 1.5. Medidas de protección clase B...........................................................................................................14 1.6. Condiciones de operación de disyuntores y fusibles…………............................................................17 1.7. Condiciones de operación de interruptores diferenciales...................................................................18 1.8. Calculo de la corriente de cortocircuito……........................................................................................23 1.9. Componente de la corriente de cto cto...............................................................................................27 1.10. Perdidas e impedancia porcentual de Subestaciones.......................................................................28 1.11. Cortocircuito monofásico y trifásico...................................................................................................29 .

2. ESTUDIO GEOELECTRICO DEL TERRENO 2.1. La puesta a tierra............................................................................................. 36 2.2. Resistividad del terreno........................................................................................................................36 2.3. Factores que determinan la resistividad del terreno.............................................................................37 2.4. Estudio del terreno, .Fundamentos Fisicos y Schlumberger................................................................. 40 2.5. Mediciones, Estratos, Curvas Orellana y Mooney, Papel Log ..............................................................48 2.6. Resistividad equivalente del terreno, según Yakobs............................................................................59 2.7. Procedimiento de calculo de Malla a Tierra .........................................................................................60 2.8. Resistencia de un electrodo vertical.....................................................................................................62 2.9. Resistencia de un electrodo enmallado horizontal...............................................................................63 2.10.. Método de calculo por Laurent..........................................................................................................63

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2.11. Método de calculo por Schwarz..........................................................................................................64 2.12.. Sección minima según ONDERDONK............................................................................................. 66 2.13. Estudio geoeléctrico del suelo........................................................................................................... .. 67 2.14. Configuración y formulas de Schlumberger ......................................................................................68 2.15. Separación en mts electrodos según Schlumberger ........................................................................70 2.16. Información obtenida en terreno .......................................................................................................72 2.17. Resistencia de muestras y resistividad aparente por estratos ).........................................................73 2.18. Interpretación de los estratos del terreno ......................................................................................... 75 2.19 Comparación de Curvas Orellana y& Mooney ....................................................................................77 2.20 Formula de Yakobs y resistividad equivalente del terreno ................................................................79 2.21 Hoja de resumen toma de datos en terreno ......................................................................................80

3. DISEÑO DEL ELECTRODO MALLA A TIERRA EN BT 3.1. Análisis de parrafo y Tabla NCH4-2003 .............................................................................................83 3.2. Mallas tipicas superficie y resistencia a tierra.....................................................................................85 3.3. Calculo de Resistividad equivalente del terreno ..............................................................................86 3.4 Calculo por el método de Schwarz ....................................................................................................88 3.5. Calculo de un eléctrodo vertical..........................................................................................................90 3.6. Calculo de malla por metodo de Laurent............................................................................................90 3.7. Materiales, uniones y punto de medición Rpt.....................................................................................92 3.8. Medición de resistencia puesta a tierra…………………………………………………..….……………… 95 3.9. Mejoramiento del terreno y electrodo..................................................................................................97 3.10. Malla y electrodos verticales. calculos..............................................................................................98

4. DISEÑO DE ELECTRODO MALLA EN MEDIA TENSIÓN 4.1. Corriente máxima seguridad según .......................................................................................................102 Dalziel 4.2. Norma 4-2003 y gradiente de potencial............................................................................................103 4.3. Voltaje de paso y voltaje de o................................................................................................103 4.4. Condiciones de diseño de una malla a tierra MT..............................................................................106 4.5. Metodología por Laurent y Koch......................................................................................................106 4.6. Potenciales de malla y paso máximo ...............................................................................................106 4.7. Tabla parametros para determinar mallas.........................................................................................108 4.8. Ejemplo de calculo resistencia puesta a tierra y electrodo................................................................110 4.9. BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………………….…………..116

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Parte

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Norma Eléctrica y dispositivos de protección

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1.1 ORÍGENES DEL RIESGO PARA LAS PERSONAS La electricidad es una de las energías de más amplio y variado uso en la actualidad, por lo que podemos encontrarla en prácticamente todos las aplicaciones. Es limpia, en alguna medida económica (si la comparamos con otras fuentes), es fácil de generar, y además, puede transformarse en otros tipos de energía (lumínica, mecánica, etc.), pero lamentablemente su uso, conlleva a riesgos tanto para las instalaciones como para los propios s de estas. Evitar que la electricidad dañe a instalaciones, equipos y fundamentalmente a s, es una de las premisas principales dentro del diseño de una red interior. La protección adecuada y efectiva, especialmente de los s de las redes eléctricas interiores, se realiza por medio del uso de diferentes elementos siendo mayormente utilizados las puestas a tierra y especialmente los dispositivos diferenciales, ya que estos contribuyen a lograr la tan necesaria óptima protección a los s contra los accidentes de origen eléctrico. Los accidentes eléctricos que pueden sufrir los s de las instalaciones interiores de baja tensión, pueden ser debidos a negligencia de ellos mismos, o bien, a que la red eléctrica sufrió una falla de aislación, lo que provoca que en la carcaza de un equipo que normalmente no está energizado, aparezca una tensión peligrosa. Si analizamos las causas que originan los accidentes por descargas eléctricas podremos encontrar que, en un amplio porcentaje, las medidas de seguridad previstas no fueron suficientes para garantizar la seguridad de los s, o bien no estuvieron correctamente aplicadas e, incluso, que con el paso del tiempo su capacidad protectora había disminuido. Para poder prevenir los accidentes debidos a la corriente eléctrica es necesario adoptar medidas de protección adecuadas a los posibles riesgos que puedan presentarse. Estas medidas implican la elección cuidadosa de los elementos preventivos que hagan a las instalaciones eléctricas fiables y seguras, tanto para las personas como para ellas mismas. Las instalaciones eléctricas interiores podrán dejar de ser seguras para sus s, cuando en ellas se presenten dos situaciones perfectamente definidas, denominadas os eléctricos. La primera tiene relación con el concepto de la acción insegura, es decir, la persona toca directamente el o los conductores de alimentación por alguna causa cuando estos se encuentran energizados; mientras que la segunda, se relaciona con el concepto de la condición insegura, es decir, con la situación en donde el accede a la fuente de alimentación por medio de la carcaza de algún equipo que está accidentalmente puesta bajo tensión. Por todo esto podemos decir, que conceptualmente existen dos tipos generales de os eléctricos, los directos, que se relacionan con el propio , y los indirectos, que se asocian al estado de las instalaciones eléctricas.

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1.2. O DIRECTO E INDIRECTO El o directo se define como la situación en donde la persona o de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo, un punto del circuito eléctrico de alimentación que en condiciones normales se encuentra energizado. Esta unión entre el y la instalación, puede presentarse en dos formas distintas, una cuando la persona se encuentra aislada de tierra, y la otra cuando no lo está.

Persona Aislada del Suelo Este caso corresponde a una persona que establece o entre el neutro y la fase de la instalación (considerando un circuito monofásico), estando aislado de tierra.

Circuito eléctrico del o directo aislado del suelo Si analizamos la situación mostrada en la figura , podremos darnos cuenta que desde el punto de vista de circuitos eléctricos, el al estar aislado de tierra, se comporta como una carga más del sistema.

Circuito eléctrico del o directo aislado del suelo Según se muestra en la figura , las variables eléctricas que se asocian a este o son: - La resistencia de la persona Rch

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- La tensión de o Vc - La magnitud de la corriente que circula por el individuo lch La reglamentación eléctrica nacional establece para el caso de baja tensión, que la resistencia de las personas en el estudio de los os eléctricos debe considerarse con un valor de

3.000 ohms

La diferencia de potencial que aparecería entre las manos de la persona, definida como la tensión de o, será equivalente al valor del voltaje existente en el sistema de alimentación, que para nuestro caso de estudio se considera de 220 V. Con los parámetros de resistencia y voltaje ya definidos en los párrafos anteriores y utilizando la ley de Ohm, podemos determinar teóricamente la magnitud de la corriente eléctrica que circularía por la persona afectada por este tipo de o eléctrico:

La magnitud de la corriente alcanzada en este tipo de o es evidentemente dañina para la persona, pero lo que fundamentalmente hace peligroso a este tipo de o eléctrico, es la no existencia de alguna falla que pueda ser detectada por algún dispositivo de protección que actué en un tiempo que no permita un desenlace fatal de este accidente. Persona No Aislada del Suelo Este caso corresponde a cuando una persona establece o con una fase de la instalación, estando conectado a tierra.

o directo conectado al suelo Si consideramos un o directo del utilizador con un conductor de nuestra instalación, se generará un flujo de corriente a través de él, que se cerrará por la tierra con el neutro de la alimentación, el cual por norma debe estar aterrizado.

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Circuito eléctrico del o directo conectado al suelo En este tipo de o, el cuerpo del se comporta también como una resistencia al paso de la corriente, con la diferencia respecto al o directo anterior, que al cerrar el circuito por tierra y no directamente por el neutro de la instalación, se está produciendo lo que denominamos "corriente de fuga", falla que evidentemente puede ser detectada por algún dispositivo de protección. En el caso mostrado en la Figura , los parámetros mencionados en el tipo de o anterior (persona aislada del suelo), se mantienen, luego:

Nuevamente la magnitud de la corriente que circularía por la persona es suficiente para causar serias lesiones, las que serán proporcionales al tiempo de permanencia en el o, dado por las características de operación del dispositivo de protección, por ejemplo, un dispositivo diferencial.

o Indirecto El o indirecto se define como la situación en donde la persona o de una instalación interior, toca con alguna parte de su cuerpo una superficie metálica de un equipo eléctrico que en condiciones normales se encuentra desenergizada pero en condiciones de falla se energiza. Este tipo de o es realmente peligroso debido a que es difícil de prevenir por parte del ,

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ya que generalmente corresponde al resultado de una falla interna de los equipos eléctricos.

o indirecto Si consideramos un o del utilizador con la carcaza del equipo fallado, se generará un flujo de corriente a través del cuerpo de la persona que se cerrará por la tierra con el neutro de la alimentación, en forma similar al o explicado en el punto anterior.

Circuito eléctrico del o indirecto Según muestra la figura anterior, si ocurre una falla franca de fase a masa, la carcaza se energizará respecto a tierra con un potencial de 220 V, el que pasaría a representar la tensión de o, luego considerando la resistencia de la persona igual al utilizado en los casos anteriores, tendremos que :

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Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico Existen una serie de parámetros que incidirán en un caso de riesgo de electrocución. Si consideramos que el utilizador se encontrará expuesto a una cierta tensión de o durante un tiempo determinado, circulara por su cuerpo una cantidad de corriente que estará acotada por la resistencia corporal del individuo. Tendremos entonces que el riesgo de electrocución dependerá de : - Corriente que circula por el cuerpo y tiempo de exposición. - Tensión aplicada y resistencia del cuerpo.

Corriente que Circula por el Cuerpo y Tiempo de Exposición Dependiendo de la amplitud de la corriente eléctrica que circula por el cuerpo de una persona que está sometida a un o eléctrico, y del tiempo de exposición a este, los efectos sobre el individuo pueden ser imperceptibles, o bien, mortales.

norma IEC 60479

La -1 (Effects of current on human beings and livestock – Parí 1 General aspects), estableció zonas de riesgo en función de la magnitud de la corriente y el tiempo de exposición a esta. Estas zonas de riesgo son mostradas en la siguiente gráfica: GRAFICA DE ZONA DE RIESGO

Zona 1. No se aprecia habitualmente ninguna reacción, debido a que no se percibe el paso de la corriente, por lo que no existe límite de tiempo de permanencia en el o.

Zona 2. En esta zona comenzamos a percibir el paso de la comente como un leve cosquilleo pero, que no deja ningún efecto psicológico grave como secuela, siempre que la magnitud de la señal no exceda los 10 (mA). Se considera esta curva como el limite inferior de la corriente fisiopatológicamente peligrosa.

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Zona 3.

En esta zona habitualmente no existe ningún daño orgánico. Existe probabilidad de contracciones musculares y de dificultades de respiración; también perturbaciones reversibles en la formación y propagación de impulsos al corazón, comprendida la fibrilación auricular y paros temporales del corazón, sin fibrilación ventricular, aumentando con la intensidad de la corriente y el tiempo.

Zona 4. Además de los efectos de la zona 3, existe la posibilidad de fibrilación ventricular. Podrán producirse efectos patológicos como paro cardiaco y paro respiratorio ocasionado por la tetanización o quemaduras graves. Cave señalar que a mayor corriente de circulación por el cuerpo humano, menor es el tiempo de exposición a esta corriente.

Tensión Aplicada y Resistencia del Cuerpo Diversos estudios experimentales demuestran que la impedancia del cuerpo humano es siempre de características resistiva pura, por lo que sólo se habla de resistencia corporal. El voltaje al que puede verse sometida una persona en un o eléctrico, afecta directamente la resistencia de la piel, la que se comporta como un aislante natural, pudiendo producirse la ruptura del dieléctrico en caso de tensiones superiores al valor nominal de soporte de ella. A una frecuencia de 50 Hz y un potencial menor a 50V, la resistencia del cuerpo humano no depende fundamentalmente de la tensión a la que puede quedar sometida, ya que en estas condiciones no se presenta la ruptura de la piel por lo que la capacidad dieléctrica no es afectada generalmente. Bajo estas condiciones la resistencia de la persona depende particularmente de : •

Espesor, estado de humedad y contenido salino de la piel. La resistencia aumenta con el espesor de la piel (callosidad), disminuye con la humedad (transpiración), y disminuye con la salinidad (alteración nerviosa).

•

Presión y área de o. Si aumenta la presión y el área de o, disminuye la resistencia de la piel. La excepción la constituye la presencia de extremos puntiagudos, que pueden perforar la piel, llevando el valor de resistencia de esta, a cero.

A una frecuencia de 50 Hz y un potencial mayor a 50V, la resistencia del cuerpo humano no obedece particularmente la ley de Ohm, si no que su valor depende fundamentalmente de la tensión que soporte, tratándose por lo tanto de un dipolo no lineal cuya resistencia es función decreciente de la tensión aplicada. Entre 85 y 150V, comienzan a tomar importancia la forma, intensidad, densidad y duración de la corriente que circula por el cuerpo, para tensiones mayores a 150 hasta 250V, el dieléctrico de la piel seca se rompe en pocos segundos y en caso de piel húmeda, se rompe en forma casi instantánea. Es importante mencionar que una vez que la corriente circula por el cuerpo, se

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producirán internamente efectos de elevación de temperatura y cambios en el balance electrolítico, logrando que aumente la conductividad corporal. Para tensiones sobre 250V, la resistencia de la piel se hace cero y la resistencia corporal estará dada solo por la resistencia interna.

50V

La Norma NCH Elec 4/2003 en el capítulo 9, sección 9.0.6.3, indica que es el máximo nivel de potencial que un individuo puede soportar en lugares secos, mientras que en lugares húmedos, este potencial es de . Estos niveles de tensión se denominan tensiones de seguridad y son la base del dimensionamiento de los sistemas de protección contra tensiones peligrosas.

24V

1.3. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LOS OS ELÉCTRICOS Las medidas de protección contra los os eléctricos están reguladas en nuestro País, por la norma NCH Elec. 4/2003 (específicamente por el capítulo 9), en esta, se establecen todas las medidas de seguridad pertinentes a implementar en toda instalación eléctrica interior, para poder brindar un óptimo grado de protección a los s de estas. Resulta importante indicar que la primera gran medida de protección es evitar que ocurran los os eléctricos, que en el caso de los directos, pueden ser fácilmente evitados si los s de las instalaciones eléctricas obedecen las indicaciones al respecto, por ejemplo, a no intervenir algún equipo o sistema eléctrico si está energizado. En el caso del o indirecto, este se puede evitar realizando una adecuada mantención preventiva a las instalaciones y a los equipos asociados a esta. Contra los os Directos Un de una instalación eléctrica estará protegido contra los os directos con partes energizadas que funcionen a más de 50V, utilizando alguna de las medidas indicadas a continuación, o bien, realizando una combinación de ellas. -

Ubicando la parte energizada fuera de la zona alcanzable por una persona, la que se considera medida desde donde ésta pueda situarse. Por arriba esta distancia límite es de 2,50 metros y lateralmente como hacia abajo es de 1,0 metro.

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Zona alcanzable por una persona Colocando las partes activas en bóvedas, salas o recintos similares accesibles únicamente a personal calificado. - Separando las partes energizadas mediante rejas, tabiques o disposiciones similares de modo que ninguna persona pueda entrar en o accidental con ellas y que sólo personal calificado tenga a la zona así delimitada. - Recubriendo las partes energizadas con aislantes apropiados, capaces de conservar sus propiedades a través del tiempo y que limiten las corrientes de fuga a valores no superiores a una milésima de Amper. En general, las medidas adoptadas para evitar la ocurrencia del denominado o directo son solo preventivas, y serán eficaces si el o los s de las instalaciones, cumplen con el régimen de seguridad necesario para evitar este tipo de o. Cabe mencionar, que los s de las instalaciones eléctricas no solamente son los adultos, sino que también lo niños. Ellos normalmente están expuestos a os eléctricos directos en los circuitos de enchufes, debido a la facilidad de los módulos comunes de permitir el ingreso de elementos por sus alvéolos hacia los os de potencia. Una alternativa para reducir fuertemente e riesgo para los niños, es el utilizar tomas de corriente con alvéolos protegidos, los que no eliminan la ocurrencia del o, pero lo dificultan considerablemente durante un tiempo que puede permitir la supervisión de un adulto y el consiguiente llamado de atención.

Toma corriente con alvéolos protegidos

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Contra los os Indirectos La Norma NCH Elec. 4/2003, indica que la primera medida de protección es evitar que estos os se produzcan, por medio de conservar la aislación de la instalación en sus valores adecuados, los cuales son como mínimo, 300kohm, para instalaciones hasta 220V, y para tensiones superiores, 1 kohm por cada Volt en instalaciones de hasta 100 mts. Sobre el valor indicado, la instalación debe separarse en extensiones no superiores a este, cada uno de los cuales deberá cumplir con el valor de resistencia de aislación prescrito. Asumiendo que aún en una instalación en óptimas condiciones, ante una situación de falla una parte metálica del equipo puede quedar energizada, se deben tomar medidas complementarias para protección contra tensiones de o peligrosas. Estas medidas se clasifican en dos grupos; los sistemas de protección clase A y los sistemas de protección clase B.

1.4. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CLASE A

Véase NCH4-2003 párrafo 9.2.6

Las medidas de protección clase A, persiguen suprimir el riesgo del o eléctrico indirecto, haciendo que estos no sean peligrosos, o bien impidiendo los os simultáneos entre las masas y elementos conductores entre los cuales puedan aparecer tensiones peligrosas.

1. EMPLEO DE TRANSFORMADORES DE AISLACIÓN Consiste en transformar un sistema eléctrico conectado a tierra de servicio, en un sistema aislado de tierra, intercalando un transformador cuya razón de transformación es generalmente 1:1 y no conectando su secundario a tierra de servicio.

Transformador de aislación