80-2000 IEEE (Español)

IEEE - Guía para la Seguridad de puesta a tierra en Subestaciones de C.A.Introducción (Esta introducción no es parte del Std 80-2000 IEEE, Guía sobre Seguridad de la conexión a tierra en Subestaciones de C.A.) Esta cuarta edición supone la segunda revisión importante de esta guía desde su primera edición en 1961. Las Principales modificaciones incluyen la ampliación de las ecuaciones para el cálculo de tensiones de toque y paso para incluir a las redes en forma de L y en forma de T; la introducción de las curvas para ayudar a determinar la división de corriente; modificaciones a las curvas de factor de reducción por material de la superficie; cambios en los criterios para la selección de los conductores y las conexiones; información adicional sobre la interpretación de la medición de resistividad; y la discusión de los suelos de varias capas. Otros cambios y adiciones se hicieron en las áreas de gas y subestaciones, las ecuaciones para el cálculo de la resistencia de la malla, y de los anexos. La cuarta edición continúa construyendo sobre las bases puestas por tres grupos de trabajo anteriores: Grupo de Trabajo 56.1 AIEE y Grupos de trabajo 69.1 y 78.1. IEEE. El trabajo de preparación de esta norma fue realizada por el Grupo de Trabajo D7 de la Subcomisión de subestaciones de distribución y fue patrocinado por el Comité de Subestaciones de la IEEE Power Engineering Society. Esta cuarta edición de la Std 80 IEEE está dedicada a la memoria de JG Sverak, que, a través de sus conocimientos técnicos y experiencia, desarrollando las ecuaciones para el cálculo de tensiones de tacto y de paso y las ecuaciones de la resistencia de la malla utilizadas en la edición de 1986 de esta guía. Su liderazgo, el humor y la perseverancia como Presidente del Grupo de Trabajo 78.1 han conducido a la ampliación del conocimiento de puesta a tierra de subestaciones en el Std 80-1986 IEEE. Guía IEEE para la Seguridad de puesta a tierra en Subestación de C.A. 1. Información general 1.1 Ámbito de aplicación Esta guía se centra principalmente en las subestaciones de corriente alterna al aire libre, ya sea convencional o de aislamiento gaseoso. Subestaciones de Distribución, transmisión, y plantas de generación están incluidas. Con cautela, los métodos descritos aquí son también aplicables a las porciones interiores de las subestaciones, o para las subestaciones que sean plenamente en el interior1. No se pretende cubrir los problemas de puesta a tierra propia de las subestaciones de corriente continua. Un análisis cuantitativo de los efectos de las sobretensiones por relámpagos esta también más allá del alcance de esta guía. 1.2 Propósito La intención de esta guía es proporcionar orientación e información pertinente a las prácticas de seguridad de conexión a tierra en el diseño de subestaciones de corriente alterna. Los objetivos específicos de esta guía son a) Establecer, como base para el diseño, los límites de seguridad de las posibles diferencias que puedan existir en una subestación en condiciones de falla entre los puntos que puede ser contactado por el cuerpo humano. b) Examinar las prácticas de puesta a tierra de la subestación con especial referencia a la seguridad, y desarrollar criterios para un diseño seguro. c) Proporcionar un procedimiento para el diseño de sistemas de puesta a tierra práctico, basado en estos criterios. d) Desarrollar métodos de análisis como una ayuda en la comprensión y solución de los problemas típicos de gradiente. El concepto y el uso de criterios de seguridad se describen en la cláusula 1, hasta la cláusula 8, los aspectos prácticos del diseño de un sistema de tierra están cubiertas desde la cláusula 9 a la 13, y los procedimientos y técnicas de evaluación para la evaluación del sistema de puesta a tierra (en términos de criterios de seguridad) se describe desde la cláusula 14 a la 20. El Material de apoyo se organiza en los anexos de la A al Anexo G. Esta guía se basa principalmente en prácticas de puesta a tierra segura para las frecuencias de energía en el rango de 50-60 Hz. Los problemas peculiares de las subestaciones de corriente continua y los efectos de sobretensiones eléctricas por rayos están fuera del alcance de esta guía. 1 Obviamente, los mismos problemas de gradiente de tierra que existen en el patio de la subestación no deben estar presentes dentro de un edificio. Esto será cierto siempre que la superficie del piso o bien asegura un aislamiento eficaz de los potenciales de la tierra, o bien es efectivamente equivalente a una placa conductora o cerca de la red o malla que está siempre en el potencial de tierra de la subestación, incluyendo la estructura del edificio e instalaciones fijas. Por lo tanto, incluso en una subestación totalmente cubierta, puede ser necesario tener en cuenta algunos de los posibles peligros de los gradientes del perímetro (en las entradas del edificio) y de potenciales transferidos descritos en la cláusula 8. Por otra parte, en el caso de instalaciones interiores con aislamiento en gas, el efecto de las corrientes circulantes en el recinto puede ser motivo de preocupación, como se discute en la Cláusula 10. Un sistema de puesta a tierra diseñado como aquí describimos, sin embargo, presenta cierto grado de protección contra sobretensiones de frentes de onda empinadas que se introduzcan en la subestación y que pasen a través de sus electrodos de tierra.2 Otras referencias se deben consultar para obtener más información sobre estos temas. 2 La mayor impedancia ofrecida frente a los aumentos repentinos de tensiones tanto aumentará la caída de tensión en los conductores de tierra a la red, como disminuirá la efectividad de las partes más distantes de la red. En contrapartida, en gran medida es el hecho de que el cuerpo humano al parecer, puede tolerar mucho mayores magnitudes de corrientes en el caso de los aumentos repentinos por relámpagos que en el caso de corrientes a 50 Hz o 60 Hz. 1.3 Relación con otros estándares Los siguientes estándares ofrecen información sobre aspectos específicos de puesta a tierra: • El estándar IEEE 81-19833 y el estándar IEEE 81.2-1991 prevén procedimientos para la medición de la resistividad del terreno, la resistencia del sistema de tierra instalada, los gradientes de la superficie, y la continuidad de los conductores de la malla. El estándar IEEE 142-1991, también conocido como el Libro Verde de la IEEE, cubre algunos de los aspectos prácticos de puesta a tierra, como tierra de equipo, enrutamiento de cables para evitar las corrientes inducidas por tierra, cubierta del cable a tierra, instalaciones estáticas y protección contra rayos, cubierta, etc. El estándar IEEE 367-1996 proporciona una explicación detallada del fenómeno corriente asimétrica y de la división de la corriente de falla, que en gran medida, se da aquí en paralelo. Por supuesto, el lector debe ser consciente de que la subida del potencial de tierra, calculada a los efectos de la protección de las telecomunicaciones y aplicaciones de transmisión se basa en un conjunto diferente de suposiciones relativas a la máxima corriente de la malla, en comparación con los utilizados para los fines de esta guía. El estándar IEEE 665-1995 proporciona una explicación detallada de las prácticas de toma de tierra en estaciones de generación. El estándar IEEE 837-1989 establece pruebas y criterios para seleccionar las conexiones que se utilizarán en el sistema de puesta a tierra que responderán a las preocupaciones descritas en la Cláusula 11. • • • • 2. Referencias Esta guía debe utilizarse en conjunción con las siguientes publicaciones. Cuando las siguientes normas sean sustituidas por una revisión aprobada, la revisión se aplicará. Comité Acreditado de Normas C2-1997, Código Nacional de Seguridad Eléctrica ® (NESC®). 4 Estándar IEEE 81-1983, Guía de la IEEE para la medición de la resistividad del terreno, Impedancia de tierra y los potenciales de superficie de la Tierra de un Sistema a Tierra (Parte 1).5 Estándar IEEE 81.2-1992, Guía de la IEEE para la medición de Sistemas de puesta a tierra Extendido o Interconectados (Parte 2). 3 4 La información sobre las referencias se pueden encontrar en la Cláusula 2. El NESC está disponible en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/). La componente unidireccional puede ser de cualquier polaridad. PO Box 1331. Matemáticamente. salvo que sea necesario para mayor claridad. 445 Hoes Lane. (http://standards.1 Electrodo de tierra auxiliar: Un electrodo de tierra con un diseño determinado o limitaciones de funcionamiento. Las demás definiciones se colocan en el texto de determinadas cláusulas. Estándar IEEE 665-1995.1-1993. IEEE Práctica recomendada para la Protección de los cables de la línea e instalaciones de comunicación al servicio de las centrales de electricidad.2 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase están unidos entre sí para proporcionar un camino eléctricamente continúo de corriente a lo largo del recinto entero. 3. se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalación y en algunos puntos intermedios seleccionados. Guía de IEEE para el diseño e instalación de sistemas de cable en las subestaciones. una componente alterna simétrica y una unidireccional (dc). Estándar IEEE 142-1991. Piscataway. Estándar IEEE 487-1992. Estándar IEEE 525-1992 (Reaff 1999). Estándar IEEE C37. Definiciones La mayoría de las definiciones que figuran en este documento pertenecen exclusivamente a la aplicación de esta guía. Norma IEEE para gas y subestaciones.5 Las publicaciones IEEE están disponibles en el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. EE.122.UU. Estándar IEEE 367-1996. 6 Los números entre paréntesis corresponden a los de la bibliografía en el anexo A . Guía de IEEE para gas y subestaciones. la corriente de falla real se puede dividir en dos partes.3 Desplazamiento DC: Diferencia entre la onda de corriente simétrica y la real onda de corriente durante una condición transitoria de un sistema de potencia. 3. NJ 08855-1331. Su principal función no puede ser otra que la conducción de la baja corriente de falla a tierra en la tierra. conectando los recintos de otra fase. Estándar IEEE 1100-1999. No se hará más referencias a cualquiera de las definiciones que aparecen abajo.6 3. Estándar IEEE C37. IEEE práctica recomendada de puesta a tierra de sistemas de potencia industrial y comercial (IEEE Libro Verde). Empalmes. Para las definiciones adicionales se refieren a El Diccionario de términos estándar IEEE eléctricos y electrónicos [B86] . Estándar IEEE 837-1989 (Reaff 1996). IEEE Práctica recomendada para determinar subida de potencial de tierra y tensión inducida de una falla de energía en Subestaciones.org/).122-1993. y disminuirá en alguna tasa predeterminada. pero no va a cambiar la polaridad. 3. IEEE Guía para la puesta a tierra de estación de Generación. IEEE práctica recomendada para la alimentación y conexión a tierra de equipos electrónicos (Libro esmeralda IEEE).ieee. Norma IEEE para la calificación de Conexiones Permanentes empleadas en puesta a tierra de subestaciones. 3.4 Factor de Decremento: Un factor de ajuste se utiliza junto con el parámetro corriente de falla simétrica de tierra en los cálculos de puesta a tierra orientados a la seguridad. Se determina el equivalente efectivo de la onda de corriente asimétrica para una duración determinada falla, t f , lo que representa el efecto de la primera desviación y su atenuación en la falla. 3.5 Corriente de Falla Asimétrica Efectiva: El valor efectivo de la onda de corriente asimétrica, integrada en el intervalo de tiempo de fallo (ver Figura 1). IF = D f × I f Dónde: IF es la corriente de falla asimétrica en A If es la corriente de falla de tierra RMS simétrica en A Df es el factor de disminución (1) Figura 1 - Relación entre los valores reales de corriente de falla y los valores de I f , I f , y D f para una falla de duración t f . 3.6 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas en la caja metálica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s). 3.7 Factor de División de Corriente de Falla: Un factor que representa la inversa de una relación simétrica de la falla de corriente a la parte de la corriente que fluye entre la red de puesta a tierra y la tierra circundante. (2) Dónde Sf es el factor de división de corriente de falla Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica en la malla en A I0 es la corriente de falla de secuencia cero en A NOTA-En realidad, el factor de división de corriente podría cambiar durante la duración de la falla, sobre la base de las tasas de atenuación variable de las contribuciones a la falla y la secuencia de operación del dispositivo. Sin embargo, para efectos del cálculo el valor de diseño de la corriente máxima y corriente simétrica de la malla por definición de corriente simétrica y corriente máxima, la relación se supone constante durante toda la duración de una falla determinada. 3.8 Subestación de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente de montaje compacto, introducido en una caja metálica conectada a tierra en el que el principal medio de aislamiento es un gas, y que normalmente consiste en buses, interruptores y equipos asociados (subconjuntos). 3.9 Tierra: Conexión conductora, intencional o accidental, por el cual un circuito eléctrico o equipo está conectado a la tierra o a algún cuerpo conductor con extensión relativamente grande que sirve en su lugar de la tierra. 3.10 Aterrado: Un sistema, circuito, o aparato provisto de una conexión a tierra a los efectos de establecer un circuito de retorno a tierra y para mantener su potencial en aproximadamente el potencial de la tierra. 3.11 Corriente de Tierra: Una corriente que fluye hacia o fuera de la tierra o su equivalente que actúa como una tierra. 3.12 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipación de la corriente de tierra en la tierra. 3.13 Malla de Tierra: Una placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos muy próximos entre sí que están conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de protección minimizando el peligro de la exposición a altas tensiones de paso o contacto en un área de operación crítica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra. 3.14 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El máximo potencial eléctrico que la malla de puesta a tierra de una subestación puede alcanzar en relación a un punto de conexión a tierra lejana que se supone que está al potencial de tierra remota. Esta tensión, GPR, es igual a la corriente máxima de la malla por la resistencia de la malla. NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idéntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestación a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia. 3.15 Circuito de Retorno a Tierra: Un circuito en el que la tierra o un cuerpo conductor equivalente se utiliza para completar el circuito y permite la circulación de corriente desde o hacia su fuente de corriente. 3.16 Mallado de Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base común de tierra para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas, por lo general en una ubicación específica. NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra también son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red típica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a más electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia. 3.17 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un área específica. 3.18 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los componentes metálicos designados de la subestación de aislamiento a gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestación. 3.19 Máxima Corriente de Malla: Un valor de diseño de la corriente máxima de la malla, que se define de la siguiente manera (3) Donde IG es la corriente máxima de la malla en A. Df es el factor de disminución para toda la duración t f de la falla, en seg. Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica de la malla en A 3.20 Tensión de Malla: La máxima tensión de contacto dentro de una malla de una malla de tierra. 3.21 Tensión de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies. NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensión de contacto metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metálicos internos en la subestación, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestación aislada por gas (GIS), la tensión de Esta reactancia se utiliza en cálculos de la corriente de falla inicial simétrica. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire. o materiales de origen humano. pero no limitado a. 3. a menudo en un patrón de descarga específica.05 s después de un error de aplicación. 3. Sin embargo. 3. y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS. con una duración de aproximadamente 0. en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. asfalto.contacto metal a metal entre los objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables. la peor tensión de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance máximo. 3. Como tal. en función de la resistividad del material. roca o piedra triturada. 3. de modo que no puede fluir la corriente más allá de cada sección de la caja.28 Corriente de Falla a Tierra Simétrica: El valor rms como máximo valor de corriente de falla simétrica después de la instantánea de una iniciación de falla a tierra. según sea necesario (o llamado implícitamente) por el diseño del sistema de puesta a tierra. debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos. El material de revestimiento. La corriente continua se reduce.24 Tensión de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningún objeto a tierra. puede impactar significativamente en la corriente que pueda circular por el cuerpo para las tensiones de tacto y de paso.23 Electrodos de Tierra Primaria: Un electrodo de tierra específicamente diseñado o adaptado para descargar corriente de la falla a tierra a la tierra. Puede ser expresado como (4) Donde Ig es el valor eficaz de la corriente simétrica de la malla en A If es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simétricas de tierra en A Sf es el factor de división de la corriente de falla 3. En una subestación convencional.26 Material de Superficie: Un material instalado sobre el suelo que consiste en.25 Reactancia Subtransitoria: Reactancia de un generador en el inicio de una falla.22 Cerramiento Discontinuo: Una recinto de bus con las secciones consecutivas del alojamiento del mismo conductor de fase aislada eléctricamente (o aislados entre sí). representa el valor eficaz de la componente simétrica en la primera mitad del ciclo de una onda de corriente que se desarrolla después del instante de fallo en el momento cero. Para las fallas fase-tierra (5) Donde I f ( 0 + ) es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simétricos inicial . pero se supone que se mantuvo en este valor en un primer paso. 3.27 Corriente Simétrica de la Malla: La parte de la corriente de falla a tierra que fluye simétrica entre las puestas a tierra de la red y la tierra circundante. en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies. los cables de tierra son demasiado largos (inductivo) en las frecuencias de interés para prevenir eficazmente la aparición de TEV. 3.I0 " es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simétrica de secuencia cero que se desarrolla inmediatamente después de la iniciación inmediata de la falla. VFTO no superará 2. algunos componentes de baja frecuencia (≅ 1 MHz) pueden estar presentes como consecuencia de la descarga de la resistencia interna despreciable (transformadores de tensión).33 Transitorios de Sobretensión Veloces (VFTO): Sistema de sobretensiones que resultan de la generación de VFT.31 Voltaje Transitorio Encerrado (TEV): Muy rápidos fenómenos transitorios. Estos transitorios pueden tener tiempos de subida en el orden de nanosegundos lo que implica un contenido de frecuencia que se extiende a cerca de 100 MHz. caracterizada por corta duración y de muy alta frecuencia. Por lo general. 3. un diseño de puesta a tierra de seguridad tiene los dos objetivos siguientes: . 3. la corriente inicial simétrica de falla se supone que permanece constante para toda la duración de la falla. 4.1 Problemas Básicos En principio. Sin embargo.32 Transitorios Veloces (VFT): Una clase de transitorios generados internamente dentro de una subestación aislada por gas (GIS). reflejando las reactancias subtransitoria de máquinas rotativas que contribuyen a la falla. Es indicativo de la velocidad de desintegración de cualquier desplazamiento DC. o conocida sólo como 3I 0 . 3. Una gran X / R corresponde a una constante de tiempo grande y un bajo índice de decadencia.30 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensión de contacto en caso de transmisión de voltaje que entra o sale de la subestación a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestación. Esta corriente de falla RMS simétrica se muestra en una notación abreviada como I f . ya sea a través de los contactos de un dispositivo de conmutación o línea a tierra durante una falla. aunque magnitudes más grandes son posibles en casos concretos. 3. VFT es generado por el rápido colapso de tensión durante la degradación del gas aislante. 3. El fenómeno también es conocido como aumento de tierra transitoria (TGR) o aumento de potencial de tierra transitorio (TGPR). por lo general están en el rango de 20-40 MHz. que van con el tamaño físico de los buses GIS. 4.29 Tensión de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona está de pie y. Mientras VFT es uno de los principales constituyentes de VFTO. La Seguridad en la Toma de Tierra. La razón subyacente de la última anotación es que. Típicamente. para fines de esta guía. las frecuencias de oscilación dominantes.34 Relación X / R: Relación entre el sistema de reactancia a la resistencia. al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexión a tierra.0 por unidad. que se encuentran en cerramientos aterrados de sistemas GIS. la ubicación de los electrodos de tierra. temporalmente establecido por una persona expuesta a un gradiente de potencial en las proximidades de una instalación de puesta a tierra. de la siguiente manera: . mientras que en otra subestación con una resistencia muy alta puede ser segura o puede alcanzarse mediante un diseño cuidadoso. el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potenciales dentro y alrededor de una subestación. en sí misma. el ascenso del potencial de tierra local es en última instancia.2 Condiciones de Peligro En condiciones típicas de falla a tierra. Desde este enlace metálico proporciona una ruta de baja impedancia en paralelo al circuito de retorno. una parte de la corriente de falla se devuelve a través de esta conexión metálica directamente a la fuente. Si un escudo de alambre. La Figura 3 muestra este efecto para una subestación con una malle (rejilla) rectangular con simple conexión a tierra en un suelo homogéneo..El aterramiento accidental. Las personas a menudo asumen que cualquier objeto conectado a tierra puede ser tocado con seguridad. cable neutro. Una baja resistencia de tierra en la subestación no es. . 4. Un enfoque práctico para la seguridad de la conexión a tierra se refiere pues. La cláusula 5 a la 8 detalla las principales hipótesis y criterios que permiten la evaluación de todos los factores necesarios para proteger la vida humana. y se esfuerza para controlar la interacción de dos sistemas de puesta a tierra. Por lo tanto. el elemento más preciado del circuito accidental. el sistema de puesta a tierra puede ser insuficiente a pesar de su capacidad para llevar la corriente de falla en las magnitudes y duraciones permitidas por los relés de protección. una garantía de seguridad. La mayoría o la totalidad de la corriente de falla total a tierra entra en la tierra causando un pronunciado aumento del potencial de tierra local [Véase la figura 2 (a)]. una red de baja resistencia es importante. etc. Si la geometría.El aterramiento intencional. • Para asegurar que una persona en las inmediaciones de las instalaciones del mallado de tierra no esté expuesto al peligro de una descarga eléctrica crítica. las características locales del suelo y otros factores contribuyen a un gradiente de potencial excesivo en la superficie de la Tierra. o alimentador de cable subterráneo. el efecto de la parte de corriente de falla que entra en la tierra dentro del área de la subestación deben ser analizadas. bus con aislamiento en gas. No existe una relación sencilla entre la resistencia del sistema de tierra en su conjunto y el choque de corriente máxima a que pueda tener una persona expuesta.Proporcionar los medios para transportar corrientes eléctricas a la tierra en condiciones normales y de anomalías sin exceder cualquier límite de operación o funcionamiento de equipo o atentar contra la continuidad del servicio. • . que consiste en electrodos a tierra enterrados a cierta profundidad debajo de la superficie de la tierra. si una subestación se suministra a partir de una línea aérea con ningún escudo o cable de neutro. Por ejemplo. En cualquier caso. una resistencia de tierra relativamente baja en una subestación puede resultar peligroso. se utiliza. de magnitud menor [véase la figura 2 (b)]. . los gradientes de potencial máxima a lo largo de la superficie terrestre pueden ser de suficiente magnitud como en condiciones de falla a tierra para poner en peligro a una persona en la zona. d) La ausencia de suficiente resistencia de contacto u otra resistencia en serie para limitar la corriente a través del cuerpo a un valor seguro en circunstancias de la “a” a la “c”.contornos equipotenciales para una malla (rejilla) de puesta a tierra típica con y sin barras de tierra A menos que se tomen las debidas precauciones en el diseño. y posición que el cuerpo es puente entre dos puntos de diferentes potenciales altos. del flujo de corriente a través de un cuerpo humano durante un tiempo suficiente para causar daño con la intensidad . b) Resistividad del suelo y la distribución de las corrientes de tierra de tal manera que altos gradientes de potencial se pueden producir en los puntos en la superficie de la tierra. Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por descargas eléctricas son las siguientes: a) Relativamente alta corriente falla a tierra en relación con el área de sistemas de tierra y su resistencia a la tierra remota. existe el riesgo de tensiones entre las estructuras de toma de tierra o equipos de marcos y la tierra cercana. c) Presencia de un individuo en tal punto. Por otra parte.Figura 3 . tiempo. por lo tanto. e) Duración de la falla y del contacto del cuerpo. Dalziel. pérdida del conocimiento. Las investigaciones indican que el cuerpo humano puede tolerar un poco mayor de 25 Hz en curso y aproximadamente cinco veces mayor en corriente continua. Una Corriente de 1 mA se reconoce generalmente como el umbral de percepción. Rango de Corriente Tolerable Efectos de una corriente eléctrica que pasa a través de las partes vitales del cuerpo humano dependen de la duración. Otros estudios de los efectos tanto directos como de las corrientes de impulsos oscilatorios se reportan en Dalziel [B25] [B27]. Corrientes de aproximadamente 0. es decir. la magnitud de corriente en que una persona es capaz de detectar una ligera sensación de hormigueo en las manos o dedos causada por el paso de la corriente (Dalziel [B27]). 5.2 Efecto de la Magnitud y Duración Los efectos fisiológicos más comunes de la corriente eléctrica sobre el cuerpo. Información adicional sobre los efectos electrostáticos de las líneas aéreas de transmisión se puede encontrar en el capítulo 8 del Libro Referencia del EPRI Línea de Transmisión de 345 kV y por encima [B57]. . Los peligros de una descarga eléctrica producida por los efectos electrostáticos de líneas de transmisión aérea se examinan en la Parte 1 del informe de 1972 de la Subcomisión de Sistemas Generales [B88]. 5. En las frecuencias de 3000-10000 Hz. la fibrilación del corazón.de corriente dada.1 Efecto de la Frecuencia Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente eléctrica a frecuencias de 50 Hz o 60 Hz. en general no ponen en peligro la capacidad de una persona que ostente un objeto energizado para el control de sus músculos y liberarlo. La Comisión Electrotécnica Internacional proporciona curvas tolerable para la corriente en el cuerpo en función de la frecuencia y para las corrientes de descarga capacitiva [IEC 60479-2 (1987-03)] B83 [)]. la contracción muscular. a menudo denominadas corrientes de abandono. lo que resulta en la retención inmediata de la circulación sanguínea. bloqueo del nervio respiratorio. 5. las corrientes aún mayor puede ser tolerada (Dalziel y Mansfield [B33]. En algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy elevadas debido a las tormentas ciclónicas. y [Abbott B36]). La relativa escasez de los accidentes se debe principalmente a la baja probabilidad de coincidencia de todas las condiciones desfavorables mencionadas anteriormente. Las corrientes de 1-6 mA. IEC 60479 -1 (1994-09) [B82]). se indican en orden creciente de la intensidad de la corriente. magnitud y frecuencia de esta corriente.1 A puede ser letal. La información relativa a problemas especiales de puesta a tierra de corriente continua está contenida en el informe de 1957 del Comité de Subestaciones AIEE [B21]. La consecuencia más peligrosa de tal exposición es una condición cardíaca conocida como fibrilación ventricular. y las quemaduras (Geddes y Baker [B74]. son la percepción de umbral. aunque desagradables para sostener. Ogden. la magnitud de corrientes para no fibrilación I B en duraciones que van 0. Dalziel y Lee [B31]). No es hasta magnitudes de corrientes en el rango de 60-100 mA que se llega a que puedan ocurrir la fibrilación ventricular. b) Las pruebas y la experiencia muestran que la probabilidad de sufrir lesiones graves o la muerte se reduce considerablemente si la duración de un flujo de corriente a través del cuerpo es muy breve. En el rango de 9-25 mA. esta guía hace hincapié en la importancia del umbral de fibrilación. . Por lo tanto. a menos que la contracción sea muy grave y la respiración se detiene durante unos minutos en lugar de segundos. Una persona entrenada en resucitación cardiopulmonar (RCP) debe administrar RCP hasta que la víctima pueda ser tratada en un centro médico (Dalziel [B30]. las corrientes pueden ser dolorosas y puede hacer difícil o imposible para liberar objetos energizados agarrados por la mano. las lesiones o la muerte puede ser evitado. Sin embargo. paro del corazón.El experimento clásico de Dalziel con 28 mujeres y 134 hombres proporcionan datos que indican un promedio de corriente de abandono total de 10. incluso estos casos suelen responder a la reanimación (Dalziel [B29]). Lagen. y Thurston [B35]. en contraste con situaciones en las que las corrientes de falla puede persistir durante varios minutos o incluso horas. o la inhibición de la respiración y causar lesiones o la muerte.0 s se relaciona con la energía absorbida por el cuerpo como se describe por la siguiente ecuación: (6) Donde IB es la magnitud rms de la corriente a través del cuerpo en A ts es la duración de la exposición a la corriente en s SB es la constante empírica relacionada con la energía de choque eléctrico tolerado por un cierto porcentaje de una población determinada Una discusión más detallada de la ecuación (6) se prevé en la Cláusula 6. implícitamente. Como muestra Dalziel y otros (Dalziel. y 6 y 9 mA como los valores límites respectivos (Dalziel y Massogilia [B34]).03-3. Dalziel y Massogilia [B34]). Si las corrientes de choque pueden mantenerse por debajo de este valor por un sistema cuidadosamente diseñado de puesta a tierra. 5. como un factor de exposición de accidentes.3 Importancia del Despeje de la Falla a Alta Velocidad Teniendo en cuenta la importancia de la duración de la falla tanto en términos de la ecuación (6) e. Para corrientes aún más altas las contracciones musculares pueden dificultar la respiración. la alta velocidad de despeje de las fallas a tierra es ventajosa por dos razones: a) La probabilidad de exposición a la descarga eléctrica se reduce por rápido tiempo de despeje de la falla. Estos efectos no son permanentes y desaparecen cuando la corriente se interrumpe.5 mA para las mujeres y 16 mA para los hombres. Es más conservador de elegir el tiempo de despeje del relé de respaldo en la ecuación (6).3 s.0135. Debido a que la ecuación (7) se basa en pruebas limitadas a un rango de entre 0. pero que el peligro es mucho menor si el tiempo de exposición a la corriente se encuentra en la región de 0. Un buen ejemplo podría ser por el uso de tiempo de despeje primario debido a la baja probabilidad combinada de que un mal funcionamiento del relé coincidirá con todos los demás factores adversos necesarios para un accidente. es decir.1 Fórmula de Duración La duración para la que una Corriente de 50 o 60 Hz puede ser tolerada por la mayoría de las personas está relacionada con su alcance de acuerdo con la ecuación (6). Por lo tanto. o el de protección de respaldo. tal como se describe en la Cláusula 4.1 s. sin fibrilación ventricular. Por lo tanto. basarse en el tiempo de despeje de los dispositivos de protección primaria. Corriente Límite Tolerable por el Cuerpo La magnitud y duración de la corriente conducida a través de un cuerpo humano en 50 ó 60 Hz debe ser menor que el valor que puede causar fibrilación ventricular del corazón. ambos acontecimientos son a menudo de muy corta duración. Basándose en los resultados de los estudios Dalziel (Dalziel [B26]. por lo tanto. se supone que el 99. porque aseguran una mayor margen de seguridad. Su investigación demuestra que un corazón humano se convierte cada vez más susceptibles a la fibrilación ventricular cuando el tiempo de exposición a la corriente se aproxima al del periodo del latido del corazón. Un incentivo adicional para utilizar tiempos de conmutación menores de 0. para las corrientes por debajo del umbral de fibrilación.03 s y 3.El valor de corriente puede permitirse. y los choques de los altos gradientes de fallas de tierra son aún más infrecuentes. Además.0. el paso de una corriente con la magnitud y duración determinada por la siguiente fórmula: (7) Donde. los altos gradientes de fallas de tierra suelen ser poco frecuentes.116 y la fórmula para la corriente permitida por el cuerpo se convierte en: (8) La ecuación (8) resulta en valores de 116 mA para t = 1 s y 367 mA para t = 0. En realidad. K50 = 0. es evidente para un cuerpo de 50 kg . Dalziel y Lee [B32]).5 s resulta de las investigaciones realizadas por Biegelmeier y Lee [B9]. 6.5% de personas de aproximadamente 50 kg (110 lb) resulta en un valor de SB de 0. 6. además de los términos previamente definidos para la ecuación (6) Dalziel descubrió que la energía de choque que puede sobrevivir por un 99.06-0. no sería práctico para el diseño contra las perturbaciones que no son más dolorosas y no causan lesiones graves.5% de todas las personas de manera segura puede soportar. Otros estudios sobre este tema se llevaron a cabo por Lee y Kouwenhoven [B31] [B95] [B99]. y una región del 0. se expresaron en 0. ovejas y cerdos). en el que la ecuación (7) se basa. En la edición 1961 de esta guía. 6. [B66] sugirió 100 mA como el umbral de fibrilación. animales que tenían peso corporal y corazón comparables a los seres humanos fueron sometidos a la duración de una descarga máxima de 3 s.0272 y 0. como se ilustra en la Figura 4.5% de todas las personas de alrededor de 70 kg (155 libras). respectivamente. El valor de 100 mA se derivó de extensos experimentos en la Universidad de Columbia.157 = 0. Otros estudios por Dalziel [B28] [B32]. Ferris et al. Con los años. respectivamente. otros investigadores han sugerido otros valores de IB. La figura muestra la relación entre el peso de corriente crítica y el cuerpo de varias especies de animales (terneros. Algunos de los experimentos más recientes sugieren la existencia de dos umbrales diferentes: uno en el que la duración del choque es más corta que el periodo del latido del corazón y otro donde la duración de la corriente es más de un latido del corazón.5% umbral común para los mamíferos. Biegelmeier [B7] [B8] propuso los valores de umbral a 500 mA y 50 mA. perros. Así valores de la constante k para valores RMS efectivos de I B (k=√): .0246 y la SB que pueden aplicarse a personas con un peso de 70 kg (155 lb).165. La ecuación para corriente por el cuerpo tolerable desarrollado por Dalziel es la base para la obtención de voltajes tolerables utilizados en esta guía. En los experimentos.que no es válida para las duraciones muy cortas o largas. En 1936. y se había supuesto válido para el 99.2 Hipótesis Alternativas La corriente de fibrilación se supone que es una función del peso individual. Para un adulto de máximo 50 kg (110 libras). las constantes de SB y k en la ecuación (6) y la ecuación (7). conducen a la alternativa de valor k = 0. Para un cuerpo de 70 kg 6.107 √ = 0. y luego disminuye a 50 mA en 2. etc.K 70 = 0. Una decisión de juicio se necesita en cuanto a si utilizar el tiempo de despeje de los relés primarios de alta velocidad.7 La ecuación (7) indica que corrientes por el cuerpo mucho mayores puede ser permitidas donde la operación de los dispositivos de protección sea rápida y pueden ser invocados para limitar la duración de la falla.2 s. y la curva Z de la corriente del cuerpo en función del tiempo desarrollado por Biegelmeier que fue publicado por Biegelmeier y Lee [B9] se muestra en la Figura 5. la ecuación (9).157 K 50 = 0.corriente de fibrilación en función del peso corporal para varios animales sobre la base de una duración de tres segundos de la descarga eléctrica (9) Los usuarios de esta guía podrá seleccionar k = 0. o el de la protección de respaldo.185 Fibrilación Figura 4. 7 Figura 5 – Corriente en el Cuerpo en función del tiempo Por lo general.3 Comparación de las Ecuaciones Dalziel y la Curva de Biegelmeier La comparación de la ecuación (8).157 siempre que el peso promedio de la población se puede esperar que sea por lo menos 70 kg. estas condiciones pueden cumplirse en lugares que no son accesibles al público. la evaluación debe hacerse si un criterio de 50 kg la ecuación (8) debe ser utilizada para las zonas fuera del recinto. como en subestaciones protegidos por cercas o paredes.067 √ = 0.116 K 50 = 0.0 s y más allá. La curva de Z tiene un límite de 500 mA para tiempos cortos de hasta 0. . Dependiendo de las circunstancias específicas.091 √ = 0. como base para el cálculo. Por lo tanto. se supone lo siguiente: a) Resistencia de contacto de manos y pies son iguales a cero. Como se mencionó en el punto 5. o de un pie al otro pie.2 V para la mano-a-pie. la posibilidad de exposición a un segundo choque se reduce porque el intervalo de tiempo de re-conexión puede ser bastante mayor. El efecto acumulativo de dos o más choques muy próximos entre sí no ha sido evaluado a fondo. iniciado en menos de 0.06 s hasta el 0.1 La Resistencia del Cuerpo Humano Para DC y corriente alterna de 50 o 60 Hz. y la resistencia cuerpo a los pies es igual a 10.0 mA. una persona puede ser sometida a la primera descarga sin daño permanente. pero una cantidad razonable se pueden hacer mediante la suma de las distintas duraciones de choque como el tiempo de una sola exposición.009 o 1130 Ω. Con la reconexión manual. A continuación. R B = 1000 Ω (10) . En tales circunstancias. las resistencias siguientes. Geddes y Baker [B74]. y Osypka [B118].Utilizando la ecuación (8). b) Resistencia de guantes y zapatos son iguales a cero. voltajes correspondientes fueron de 21. Dalziel [B34] llevaron a cabo extensas pruebas con agua salada en las manos y los pies para determinar las corrientes de abandono seguras.33 s desde el inicio de la primera. mientras que los valores de la resistencia del cuerpo incluyendo la piel esta en el rango de 500 a 3000 Ω. La trayectoria de la corriente se considera típicamente de una mano a los dos pies. Es este segundo choque. Los valores obtenidos con 60 Hz para los hombres fueron los siguientes: la corriente de 9. que ocurre después de un intervalo relativamente corto de tiempo antes de que la persona se haya recuperado. la corriente tolerable por el cuerpo será menor que la curva Z Biegelmeier para tiempos de 0. una simple re-conexión automática instantánea puede resultar en un segundo choque. Kiselev [B94]. sobre la base de este experimento. que podrían causar un accidente grave.0 V para la mano-amano y 10.009 o 2330 Ω. en serie con la resistencia del cuerpo. la resistencia AC para un contacto mano a mano es igual a 21. La resistencia del cuerpo humano se reduce por el daño o punción de la piel en el punto de contacto. lo que representa la resistencia de un cuerpo humano de cuerpo a los pies y también de la mano-a-mano. o de un pie al otro. 6. a los efectos de esta guía. el cuerpo humano se puede aproximar a una resistencia. La resistencia interna del cuerpo es de aproximadamente 300 Ω. Circuito de Tierra Accidental 7. Gieiges [B75].7 s.0/0. como se sugiere en Daziel [B26]. con las manos y los pies mojados. Por lo tanto. se utilizan en esta guía.4 Nota sobre la Re-Conexión La re-conexión después de una falla a tierra es común en la práctica moderna de operación. 7.2. Un valor de 1000 Ω en la ecuación (10).2/0. Basándose en estas conclusiones. El grado de este riesgo adicional dependerá de la duración de fallas y la posibilidad de otro choque sucesivo. los siguientes factores deben ser considerados: a) Un voltaje entre los dos pies. Las siguientes anotaciones se utilizan para el circuito equivalente accidental que se muestra en la Figura 6: Ib RA VA es la corriente del cuerpo (el cuerpo es parte del circuito accidental) en A es la resistencia total efectiva del circuito accidental en Ω es la tensión total efectiva del circuito accidental (tensión de tacto o de paso) en V Figura 6.3 Circuito Equivalente Accidental Usando el valor de la corriente por el cuerpo tolerable establecida por cualquiera de la ecuación (8) o la ecuación (9) y las constantes del circuito adecuado. b) Una persona puede estar trabajando o descansando en una posición inclinada cuando se produce un fallo. la resistencia a los valores superiores a 1000 Ω. 7. incluyendo el corazón. posiblemente. donde una parte importante de la corriente pasa a través de partes del cuerpo que contengan los órganos vitales. es posible determinar la tensión admisible entre dos puntos de contacto. tal vez vuelva a cerrarse. Langer [B96]). cuando se trate de un camino desde un pie al otro pie. puede causar una caída que podría causar un mayor flujo de corriente a través del área del pecho. Al referirse a las pruebas realizadas en Alemania.2 Rutas de Corrientes a través del Cuerpo Hay que recordar que la elección de un valor de 1000 Ω de resistencia se refiere a rutas como las que existen entre la mano y un pie o ambos pies. son mucho menores que los de otro tipo.Exposición a la tensión de contacto . es un peligro que no deben pasarse por alto (Bodier [B14]. Es evidente que los peligros de contacto pie a pie. se podría permitir.7. Afirmó que la relación es tan alta como 25:1. Sin embargo. doloroso pero no fatal. En general se convino en que la corriente que fluye de un pie al otro es mucho menos peligrosa. Loucks [B100] mencionó que corrientes mucho más altas pie a pie y mano-a-pie tenían que ser utilizadas para producir el mismo efecto que una baja corriente en la región del corazón. como las muertes se han producido desde el caso a) anterior. Sin embargo. en el circuito de la figura 8 (Dawalibi. I B . La impedancia de Thévenin ZTH es la impedancia del sistema visto desde los puntos H y F con las fuentes de tensión del sistema de cortocircuito. se utiliza para definir la tensión total tolerable eficaz del circuito accidental (tensión de toque o de paso): la tensión total tolerable eficaz del circuito accidental es la tensión que causa el flujo de la corriente del cuerpo. La tensión de Thévenin V es el voltaje entre las terminales H y F cuando la persona no está presente. I b . I b . La corriente. Dawalibi. La corriente I b a través del cuerpo de una persona que entre en contacto con H y F es dada por (11) Figura 7-Impedancias del circuito de tensión de toque . que se define en la ecuación (8) o la ecuación (9). La Figura 6 muestra la corriente de falla I f cuya descarga a la tierra por el sistema de puesta a tierra de la subestación y una persona que toque una estructura metálica conectada a tierra en H.La corriente tolerables del cuerpo. fluye desde H a través del cuerpo de la persona a la tierra en F. Xiong. El terminal H es un punto en el sistema al mismo potencial de la malla en el que la corriente de falla fluye y el terminal F es el área pequeña en la superficie de la tierra que está en contacto con los dos pies de la persona. El teorema de Thevenin permite representar estos dos terminales (H. y Baishiki [B49]. Varias impedancias se muestra en el circuito en la Figura 7. y Ma [B50]). I B . igual a la corriente tolerable del cuerpo. F) de la red de la figura 7. Southey. La corriente I b a través del cuerpo de una persona es dada por la ecuación (11). Xiong. fluye de un pie F1 a través del cuerpo de la persona al otro pie. F2) de la red en la Figura 10. respectivamente. Dawalibi. y Baishiki [B49]. Los terminales F1 y F2 son las áreas en la superficie de la tierra que están en contacto con los dos pies. y Ma [B50].Figura 8 . ZTH. I b . La tensión de Thévenin V es la tensión entre los bornes F1 y F2 cuando la persona no está presente. Laurent [B97]). es calculable con una serie de métodos (Dawalibi. El teorema de Thevenin nos permite representar estos dos terminales (F1. En esta guía. La impedancia equivalente de Thévenin. La impedancia de Thévenin ZTh es la impedancia del sistema vista desde los terminales F1 y F2 con las fuentes de tensión del sistema en cortocircuito. Gerez y Kejriwal [B143]. Figura 9 . las siguientes fórmulas conservadoras de la impedancia equivalente de Thévenin se utilizan. Southey. La corriente.La exposición a la tensión de paso .circuito de tensión de contacto Donde RB es la resistencia del cuerpo humano en Ω La figura 9 muestra la corriente de falla I f descargándose al suelo por el sistema de puesta a tierra de la subestación. ERPI EL-2699 [B60]. Thapar. F2. y Ma [B50]. Meliopoulos.Circuito de tensión de Paso Para circuito accidental de tensión de contacto (12) Y para circuito accidental de tensión de paso (13) Donde Rf es la resistencia a tierra de un pie (con presencia del sistema de tierra de la subestación omitida) en Ω A los efectos del análisis de circuitos. Con una simple aproximación.. las ecuaciones para ZTh se pueden obtener en forma numérica y se expresa en términos de ρ de la siguiente manera. Gerez y Kejriwal [B143]. etc. La resistencia a tierra en ohmios de un disco metálico de radio b (m) en la superficie de una tierra homogénea de ρ resistividad (Ω · m) viene dada por Laurent [B97] (14) Tradicionalmente. el disco metálico que representa el pie se toma como una placa circular con un radio de 0. el pie humano es generalmente representado como un disco metálico y la resistencia de contacto de los zapatos. Para circuito accidental de tensión de contacto (15) Y para circuito accidental de tensión de paso (16) Sobre la base de investigación reportada en Dawalibi. se ignora. las ecuaciones (15) y (16) son . y Cokkonides [B107]. Joy.Figura 10 . Xiong. Xia. y Thapar. calcetines.08 m. Esta simplificación dio un valor más bajo de la resistencia de tierra del pie. Si el suelo subyacente tiene una resistividad mayor que el material de la superficie.4 Efectos de una Fina Capa de Material en la Superficie La ecuación (14) se basa en la hipótesis de una resistividad del suelo uniforme. la resistencia efectiva del material de la superficie no debe ser actualizada sin tener en cuenta este cambio en el potencial de superficie. el material de la superficie se puede asumir de extensión infinita en la dirección lateral. los potenciales de superficie serán modificados sustancialmente debido a la concentración de la corriente cerca de la superficie. y la tensión de superficie será casi la misma que sin el material. esta resistencia puede ser considerablemente menor a la de una capa superficial de espesor suficiente para asumir la resistividad uniforme en todas las direcciones. Thapar. en comparación al radio equivalente del pie. tales como grava. La corriente a través del cuerpo se reducirá considerablemente con la adición del material en la superficie debido a la resistencia de contacto mayor entre la tierra y los pies. para una persona en el área de la subestación. Thapar. a diferencia del caso descrito en el párrafo anterior. Gerez y Kejriwal [B143]) . Sin embargo. La relativa poca profundidad del material de la superficie. Lo contrario del principio de reducción de potencia también es cierto. es (17) Y (18) 7.8 8 Las expresiones para la resistencia de tierra del pie dada por la ecuación (16) a la (19) de la versión 1986 de esta guía se basa en el simple procedimiento de electrodos hemisféricos. se extiende a menudo en la superficie de la tierra por encima de la malla de tierra para aumentar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación. . Gerez. dará lugar a corrientes del cuerpo superiores. Sin embargo.15 m (3-6 in) de material de alta resistividad. La tensión total admisible equivalente (es decir. y Emmanuel [B142]. El error fue significativo para valores bajos de profundidad de la capa superficial.08-0. una capa de entre 0. Sin embargo. Una expresión analítica para la resistencia de tierra del pie sobre una fina capa de la superficie del material se puede obtener con el uso del método de las imágenes (Sunde [B130]. Por lo tanto. Sólo algunas corrientes de la malla irá hacia arriba a la capa delgada de material de la superficie. La reducción depende de los valores relativos de resistividades de la tierra y el material de la superficie. Este problema puede resolverse mejor mediante el uso de análisis de suelos de varias capas (ver cláusula 13).conservadoras en el sentido de que subestiman la impedancia equivalente de Thévenin y. Las nuevas expresiones revisadas para la resistencia a tierra de los pies que figuran en esta norma se basan en la representación de placa circular del pie. y del grosor del material. tensión de tacto y de paso tolerable). una parte sustancial de la corriente de la red irá hacia arriba a la capa delgada de material. se opone a la asunción de resistividad uniforme en la dirección vertical cuando se calculó la resistencia de tierra de los pies. Si el suelo subyacente tiene una resistividad más bajo que el material de la superficie. utilizando las ecuaciones (15) y (16). Sin embargo. por tanto. ρs. considera una placa delgada circular. en paralelo. D2. en un medio infinito de la resistividad.La ecuación (19) a la (21) dan la resistencia de tierra del pie con el material en la superficie (Thapar. (19) (20) (21) Donde Cs es el factor de reducción de la capa superficial K es el factor de reflexión entre las diferentes resistividades de materiales ρs es la resistividad del material de la superficie en Ω · m ρ es la resistividad de la tierra debajo del material de superficie en Ω · m hs es el espesor del material de la superficie en m b es el radio del disco metálico circular que representa el pie en m R m (2nhs) es la resistencia de tierra mutua entre dos placas coaxiales. D1. D1. Usando coordenadas cilíndricas. el potencial en cualquier punto (r. entre las dos placas se da por . El potencial producido en D2 puede ser determinado mediante la evaluación de potencial medio sobre la superficie de la placa. El radio de la placa es b y descarga una corriente I en un medio infinito uniforme de resistividad. similares. ρ s . separados por una distancia (2nhs). ya una distancia (2nh) de él. Es dado por (25) La resistencia mutua a tierra. en el plano xy con el eje z que pasa por su centro. R m (2nhs). z) está dado por las siguientes ecuaciones (Jackson [B89]): (22) (23) (24) Considere la posibilidad de otro plato similar. Gerez y Kejriwal] [B143). situada en paralelo y coaxial a la placa circular. en Ω·m Para la determinación de R m (2nhs). Los valores de Cs obtenidos utilizando la ecuación (27) están dentro del 5% de los valores obtenidos con el método analítico (Thapar. . Xiong.C s versus h s Los modelos por computadora también se han utilizado para determinar el valor de C s (Dawalibi.(26) Comparando las ecuación (14) y (19). y Cokkonides [B107]). Xia. Gerez y Kejriwal [B143]). Meliopoulos. C s puede ser considerado como un factor de corrección para calcular la resistencia efectiva del pie en presencia de un espesor finito de material de superficie. h s (metros) Figura 11 . La siguiente ecuación empírica da el valor de C s .08 m y se dan en forma de gráficos en la Figura 11. Debido a que la cantidad C s es bastante aburrida para evaluar sin el uso de un computador. y Ma [B50]. estos valores han sido pre-calculados para b = 0. Joy. Hay una correspondencia estrecha entre los valores obtenidos por estos modelos de computadoras con los valores dados en la Figura 11. Espesor del material de superficie. debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.1 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El máximo potencial eléctrico que la malla de puesta a tierra de una subestación puede alcanzar en relación a un punto de conexión a tierra lejana que se supone que está al potencial de tierra remota. GPR.1 Definiciones NOTA-Las siguientes definiciones también se enumeran en la cláusula 3.(27) 8. es igual a la corriente máxima de la malla por la resistencia de la malla. NOTA . pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales.2 Tensión de Malla: La máxima tensión de contacto dentro de una malla de una malla de tierra. NOTA-En condiciones normales. . 8. el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire. Es decir. 8. 8. la tensión de contacto metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metálicos internos en la subestación.1.5 Tensión de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona está de pie y. 8. la peor tensión de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance máximo. Sin embargo. tal como una cerca aislada. al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexión a tierra. En el caso de una subestación aislada por gas (GIS).4 Tensión de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningún objeto a tierra. Sin embargo. 8.1. En una subestación convencional.1. el potencial de una toma de tierra es casi idéntico al potencial de tierra a distancia. en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. Criterios de Tensión Tolerable 8.El voltaje de toque metal-metal entre objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestación a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia. Esta tensión.1.1. y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS. en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies.3 Tensión de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies. la tensión de contacto metal a metal entre los objetos metálicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables. pero se repiten aquí para comodidad del lector. 1. .8.6 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensión de contacto en caso de transmisión de voltaje que entra o sale de la subestación a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestación. . En la práctica. Durante una falla. el caso típico de tensión de contacto metal a metal se produce cuando los objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación no se adhieren a la red de tierra. la tierra conduce corrientes que emanan de la red y otros electrodos de tierra permanente. se muestra en la Figura 14 donde U es igual a la tensión de contacto metal-metal. el circuito equivalente accidental es el de la Figura 9. ya sea de mano a mano o mano-a-pie. E m (tensión de la malla). Durante condiciones de falla. Tensiones considerables de toque metal a metal pueden estar presentes cuando una persona está de pie o toca un objeto conectado a tierra o estructura que entra en contacto con un objeto metálico o estructura dentro del área de la subestación que no está unido a la red de tierra. y U es igual a E t (tensión de contacto). o una persona de pie en un punto remoto toca un conductor conectado a la malla de conexión a tierra de la subestación. Para los tres ejemplos de contacto mano-a-pie con la figura 12 se aplica. o cercas que se encuentran dentro o cerca del área de la malla de tierra de la subestación.2 Situaciones Típicas de Choque Las Figura 12 y 13 muestran cinco situaciones básicas que incluyen a una persona y las instalaciones de tierra durante una falla. Objetos tales como tuberías.Figura 14 – Típica situación de tacto metal-metal en GIS 8. enterrado debajo de la superficie de la tierra. En el caso de las subestaciones convencionales. respectivamente. y no están pegadas a la malla. E mm . cumplen con estos criterios. El circuito accidental que implica el contacto metal-metal. o E trrd (voltaje transferido). y su conducción nominal U es igual a E s (tensión de paso). El resultado de gradientes de potencial tienen un efecto primario sobre el valor de U. Por lo general. el potencial resultante a tierra son iguales o . El cálculo de la tensión de contacto real metal-metal es compleja. los riesgos derivados del contacto metal a metal pueden mejor evitarse uniendo los puntos de potencial peligroso a la malla de tierra de la subestación. rieles. Para contacto pie a pie. el caso de tensión transferida se produce cuando una persona de pie en el área de la subestación toca un conductor puesto a tierra en un punto remoto. Los peligros de estas tensiones externas transferidas es mejor evitarlas mediante el uso de aislamiento o dispositivos de neutralización y por tratamiento y despejes de estos circuitos.. diseñar una malla de tierra sobre la base de la tensión de contacto causada por las tensiones exteriores transferidas. etc. 8. como se discute en la cláusula 17. Para tensión de paso es el límite (28) Para un peso corporal de 50 kg (29) Para un peso corporal de 70 kg (30) Del mismo modo.superiores al completo GPR de una malla de conexión a tierra descargando la corriente de falla. la tensión transferida podrá ser superior a la suma de los GPRs de ambas subestaciones. el límite de tensión de contacto es (31) Para un peso corporal de 50 kg (32) Para un peso corporal de 70 kg (33) Donde E step . E touch Cs rs ts es la tensión de paso en V es la tensión de contacto en V se determina de la Figura 11 o la ecuación (27) es la resistividad del material de superficie en Ω · m es la duración del shock de corriente en segundos . etc. en lugar de la fracción de esta tensión total encontrado en situaciones ordinarias de contacto de toque (ver Figura 13). De hecho. El voltaje máximo de conducción de cualquier circuito accidental no debe exceder de los límites definidos de la siguiente manera. como equivalentes a las líneas energizadas. estáticos o cables de neutro.3 Criterios para Tensión de Toque y de Paso La seguridad de una persona depende de la prevención de la cantidad crítica de energía de choque se absorba antes de que la falla se despeje y el sistema se des-energice. debido a voltajes inducidos en los circuitos de comunicación. tuberías. tuberías. No es práctico. y a menudo imposible. las características de los equipos GIS una cubierta envolvente metálica de los interruptores aislados a gas y buses internos de alta tensión. R B . como las líneas. Los peligros de las tensiones transferidas externas es mejor evitarla a través del aislamiento o de dispositivos de neutralización y etiquetando estos puntos de peligro. como una descarga disruptiva entre el bus conductor y la pared interna del cerramiento. y las inductancias mutuas para una configuración de fase determinada de buses individuales. entonces C = 1 y ρ = ρ s . es necesario para determinar la inductancia de la cubierta externa a tierra. Por lo tanto. Porque la persona puede estar parado sobre una rejilla metálica conectada a tierra y el circuito accidental puede implicar un camino de corriente mano a mano y cuerpo a pies. A diferencia de las instalaciones convencionales. El contacto metal-metal. las consideraciones de tensión de contacto presentan varios problemas únicos. resultará en ρ s = 0. tanto de mano a mano y cuerpo a los pies. Debido a que se induce un voltaje en la cubierta externa cada vez que un flujo de corriente en la barra de distribución coaxial.4 Situaciones Típicas de una Descarga en Subestaciones con Aislamiento a Gas En el análisis de puesta a tierra de las GIS. b) Una falla externa a las GIS en el que una corriente de falla fluye a través del bus de la GIS e induce corrientes en los recintos. o la tensión de contacto metal-metal deben ser inferiores a los límites máximos permisibles de tensión respectivas para garantizar la seguridad. la inductancia del conductor interno. 8. tensión de toque. Cada bus está totalmente contenida dentro de su recinto y ellos conectados a tierra. Evaluar la tensión máxima que ocurre en el recinto del bus durante una falla. ecuaciones (32) y (33). ciertas partes de la caja pueden estar en diferentes potenciales con respecto a la tierra de la subestación. el límite de tensión de contacto metal-metal es Para un peso corporal de 50 kg (34) Para un peso corporal de 70 kg (35) Donde E mm es el voltaje de toque metal-metal en V La real tensión de paso. Con la sustitución de ρ s = 0 en los términos de las ecuaciones de la resistencia del pie (32) y (33). la resistencia total del circuito accidental es igual a la resistencia del cuerpo. Una persona que toque la envoltura externa de una GIS puede estar expuesta a tensiones derivadas de dos condiciones de falla básicas a) Una falla interna en el sistema de buses de aislamiento a gas. El límite de tensión de contacto metal-metal se derivan de las ecuaciones de tensión de contacto.Si no hay usada una capa superficial de protección. el . no exceda de 65-130 V durante una falla.análisis de los sistemas de tierra de las GIS deben tomarse en consideración la tensión de contacto metal a metal (véase la Figura 14 ). Esta relación es. Sin embargo. que también ayuda a comprender el problema relacionado con los márgenes de seguridad suficientes. pueden causar asfixia por la contracción prolongada de los músculos del pecho. Las ecuaciones de tensión de contacto metal-metal.5 Efecto de las Corrientes de Tierra Sostenida Después de que los límites de tensión de paso y de contacto seguro se establecieron. no sería práctico diseñar contra choques menores que son dolorosos. pero no causan ningún daño permanente.8 s para un criterio de 70 kg. el sistema de puesta a tierra puede ser diseñado en base a la corriente de falla disponible y del tiempo de despeje total. El diseñador debe también considerar las magnitudes de fallas de bajo nivel del tipo sostenida (Debajo de los ajustes de relés de protección) que pueden estar por encima del umbral de la corriente de abandono. pero por debajo del umbral de fibrilación. Figura 15 – Limites de tensión de toque para contacto metal-metal y un rango típico de tensiones carcasa a tierra 8. La mayoría de los fabricantes de GIS consideran el recinto bien diseñado y adecuadamente conectado a tierra si la diferencia de potencial entre recintos individuales. Las condiciones de falla y los correspondientes circuitos equivalentes para determinar o verificar los parámetros de seguridad críticos de diseño de puesta a tierra de las GIS se detallan en la cláusula 10.2 s para un criterio de 50 kg. y de 1. sin embargo. mejor percibida en la gráfica de la figura 15. Algunas fallas sostenidas por encima del umbral de la corriente de abandono. .8 a 3. y la diferencia de potencial entre uno de los recintos y otras estructuras de tierra.46 a 5. revelan que este nivel de tensión corresponde a los tiempos de falla que van desde 0. (34) y (35). El sistema también debe garantizar la continuidad del servicio.2 Concepto General Un sistema de puesta a tierra se debe instalar de una manera que permita limitar el efecto de los gradientes de potencial de tierra a un voltaje y niveles de corrientes tales que no pongan en peligro la seguridad de las personas o equipos en condiciones normales y de fallas. 9.4 Mallado a Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados. son formas comunes de una malla de tierra. 9. proporcionando una base común de tierra para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas. 9.1. 9.1.Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra también son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Su principal función no puede ser otra que la conducción de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.1. 9. En la discusión que sigue.5 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un área específica.3 Malla de Tierra: Una placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos muy próximos entre sí que están conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre.2 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipación de la corriente de tierra en la tierra. por lo general en una ubicación específica. Una red típica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a más electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia. 9.1. a fin de obtener una medida adicional de protección minimizando el peligro de la exposición a altas tensiones de paso o contacto en un área de operación crítica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas.1.9. se supone que el sistema de electrodos a tierra tiene la forma de una red de conductores enterrados horizontalmente.1. Fundamentada en las rejillas de metal. o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material. NOTA .1 Definiciones NOTA-Las siguientes definiciones también se enumeran en la cláusula 3. pero repite aquí para comodidad del lector.6 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los componentes metálicos designados de la Subestación de Aislamiento a Gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestación. colocadas en o por encima de la superficie del suelo. Sobre la base de dos encuestas. la primera . Principales Consideraciones de Diseño 9. 9.1 Electrodo de Tierra Auxiliar: Un electrodo de tierra con un diseño determinado o limitaciones de funcionamiento. completa con una serie de barras verticales de tierra conectada a la red. 2) Las barras que penetran en el suelo con resistividad más baja son mucho más eficaces para disipar las corrientes de falla cada vez que una capa o dos capas del suelo se encuentra y la capa superior del suelo tiene mayor resistividad de las capas inferiores. Véase la cláusula 16 para los detalles de este acuerdo. Si los enlaces de conexión pasar a ser enterrado en un suelo con buena conductividad. Un sistema que combina una red horizontal y una serie de barras de tierra verticales penetrando suelos más bajos tiene las siguientes ventajas: 1) Cuando los conductores están horizontales (cuadrícula-malla-grilla) son más eficaces para reducir el peligro de tensiones de paso y de contacto altas en la superficie de la tierra. b) Si la magnitud de la corriente que se disipa en la tierra es alto. como se explica en el punto b). las varillas pueden moderar considerablemente el fuerte aumento del gradiente de superficie cerca de las mallas periférica.) 3) Si las barras se instalan predominantemente a lo largo del perímetro de la red en las condiciones de alta a baja o uniformes resistividad del suelo. el peligro puede ser eliminado sólo por el control de los potenciales locales a través de toda la zona. o que debe alcanzarse por el diseño del medios adecuados (barras de tierra extra largas. En parte por esta razón. Para muchas instalaciones esto es importante porque la congelación o el secado de las capas superiores del suelo pueden variar la resistividad del suelo con las estaciones. Estos datos son pertinentes para el uso de métodos simplificados para determinar el gradiente de tensión en la superficie de la tierra. como las tomas de tierra. el resultado es esencialmente una malla de electrodos de tierra. etc. algunas empresas de servicios dependen del uso de solo una rejilla. . A su vez. este concepto representa la práctica prevaleciente en la mayoría de empresas de servicios públicos tanto en los Estados Unidos como en otros países. mientras que la resistividad de las capas inferiores del suelo se mantiene casi constante. rara vez es posible instalar una rejilla con una resistencia tan baja como para asegurar que el surgimiento de un potencial de tierra no va a generar gradientes en la superficie no apto para el contacto humano. esta red sólo puede representar un excelente sistema de tierra. siempre que la red se instale a poca profundidad por lo general entre 0. independientemente del objetivo original. cuando varios electrodos. esta condición se convierte en la realidad más deseable que se produce. Algunas de las razones para usar el sistema combinado de barras verticales y conductores horizontales son las siguientes: a) En subestaciones un solo electrodo es. marcos y estructuras que van a estar conectados a tierra. los pozos de puesta a tierra.reportada en una guía de aplicación de la AIEE en 1954 [B3]. están conectados entre sí y con todos los equipos neutrales. Entonces. y la segunda publicada en 1980 (Dawalibi. Sin embargo. Bauchard y Mukhedkar [B45]). insuficiente para proporcionar un sistema de puesta a tierra segura. Para muchas GIS y otras instalaciones con espacio limitado.5 m (12-18 in) debajo. las barras de tierra lo suficientemente largas tienden a estabilizar el rendimiento de una red combinada. las tomas de tierra son de un valor especial.3-0. por sí solo. por tanto. Electrodos típicos auxiliares incluyen estructuras subterráneas de metal y barras de refuerzo recubiertas de hormigón. . 9. o transformadores. Las tomas de tierra también pueden ser instaladas en el equipo pesado. la mayoría de los sistemas de puesta a tierra utilizan dos grupos de electrodos a tierra. reduciendo al mínimo la caída de tensión en la red (malla) en sí. Los electrodos de Tierra Primarios están específicamente diseñados para la puesta a tierra.9. Para establecer las ideas básicas y los conceptos. los siguientes puntos pueden servir como las directrices para el inicio de un típico diseño de la rejilla de puesta a tierra: a) Un bucle conductor continuo deberá rodear el perímetro para incluir tanta superficie como sea posible. Esta medida ayuda a evitar la concentración de alta corrientes y. c) Un sistema de cuadrícula típica de una subestación puede incluir conductores 4/0 de cobre desnudo enterrados entre 0. baterías de condensadores. a lo largo de las estructuras o filas de los equipos para establecer conexiones a tierra cortas. Encerrar más superficie también reduce la resistencia de la malla de puesta a tierra. cuando sea posible. sobre todo cerca de la protección contra sobretensiones. En las conexiones cruzadas. podría ser útil utilizar las barras o varillas ya instaladas en los puntos de uniones adicionales. en un patrón de cuadrícula. conductores de contrapeso. a menudo más allá de la línea de la cerca. y proporcionando un cierto grado de redundancia en el caso de una falla del conductor. Múltiples conductores de tierra o conductores de mayor tamaño se utilizará donde las altas concentraciones de la corriente puedan ocurrir. b) En el bucle.4 Aspectos Básicos de Diseño de la Malla El Análisis conceptual de un sistema de red por lo general comienza con la inspección del plan de diseño de subestaciones. los altos gradientes de potencial tanto en la zona de la malla y cerca de los extremos del cable saliente. Los electrodos auxiliares de tierra pueden tener una limitada capacidad de transporte de corriente. las tomas de tierra. e) La relación de los lados de las mallas de la red por lo general es de 1:1 a 1:3. garantice un análisis más preciso de valores extremos. Las tomas de tierra pueden estar en las esquinas de la red y en los puntos de unión a lo largo del perímetro. Los electrodos auxiliares de tierra son los electrodos que constituyen las diferentes estructuras de metal enterradas instaladas para fines distintos a la tierra. si está conectado a la red de conexión a tierra. Las conexiones cruzadas son también útiles en la obtención de múltiples caminos para la corriente de falla. a menos que una precisa (asistida por computador). los conductores estarían bien unidos entre sí en forma segura. y los pozos de tierra. los conductores suelen ser colocadas en líneas paralelas y.3-0. d) Este sistema de red (malla de tierra) se extenderá sobre el conjunto de maniobras de la subestación y. espaciados 3-7 m (10-20 pies) de distancia. Electrodos típicos principales incluyen cosas tales como las rejillas de puesta a tierra.3 Electrodos de Tierra Primarios y Auxiliares En general. mostrando todos los equipos pesados y las estructuras.5 m (12-18 pulgadas) por debajo de la superficie. Frecuentemente las conexiones transversales tienen un efecto relativamente pequeño en reducción de la resistencia de una cuadrícula. como en una conexión neutro-tierra de generadores. En los suelos de varias capas o de alta resistencia. Su principal función es asegurar un control adecuado de la superficie de potenciales. por supuesto.6 m × 0. 9. especialmente para los aumentos repentinos de alta frecuencia (rayos). dispuestos en un patrón de rejilla de 0. Una colchoneta de alambre común podría consistir de alambre de acero revestido de cobre número 6 AWG. el uso correcto de otros medios disponibles para reducir la resistencia total de un sistema de tierra. tiene que ser evaluado cuidadosamente. y Barbeau [B148]).5 Diseño en Condiciones Difíciles En las zonas donde la resistividad del suelo es alto o el espacio de la subestación es escaso. un sistema combinado utilizando instalaciones especiales en edificios. bóvedas subterráneas. El material cercano de baja resistividad puede ser un depósito de arcilla o puede ser parte de alguna estructura grande. Es típico el uso de objetos metálicos en el sitio que califican y pueden servir como electrodos de tierra auxiliares. un depósito cercano de material de baja resistividad y volumen suficiente se puede utilizar para instalar una cuadricula extra (satélite). como conectar los cables neutrales y estáticos de la tierra (ver 15. Esta cuadricula satélite. Es factible combinar un material de superficie y alfombras fabricadas de alambre para igualar el gradiente de campo cerca de la superficie. d) El uso de colchonetas de alambre. Merand.9. Algunas de las soluciones incluyen a) Conexión (es) de la rejilla de tierra remota (s) e instalaciones adyacentes de tierra. por tanto. el margen de potencial de tierra de la rejilla de puesta a tierra. y otros puntos críticos. Una caída de tensión significativa puede establecerse entre las instalaciones de puesta a tierra local y remota.6 Conexiones a la red Los conductores de ampacidad y resistencia mecánica adecuada (ver cláusula 11) se deben utilizar para las conexiones entre . como la masa de concreto de una represa hidroeléctrica (Verma. Las consecuencias de dichas solicitudes.6 m (24 × 24 in).3). o como los lazos de tierra a otros sistemas.5. instalada en la superficie de la tierra y debajo de la superficie del material. e) Cuando sea posible. puede que no sea posible obtener una baja impedancia a tierra del sistema mediante la difusión de los electrodos de la red en una gran superficie. que sólo ocupan una fracción de la superficie terrestre normalmente utilizada para los equipos convencionales. b) El uso de barras de tierra enterradas profundamente y pozos de tierra perforados. etc. Esta situación es típica de muchas instalaciones industriales y subestaciones GIS. Esta situación a menudo hace difícil el control de los gradientes de la superficie. y unido a la red principal de puesta a tierra en varios lugares. f) Siempre que sea práctico. lugares de sobretensiones por pararrayos. Un uso predominante de electrodos a tierra a distancia requiere una cuidadosa consideración de los potenciales transferidos. bajará la resistencia total y. como se hace en condiciones más favorables. c) Varios aditivos y tratamientos del suelo que se utiliza junto con las tomas de tierra y la interconexión de los conductores se describen más detalladamente en el 14. cuando está suficientemente conectada a la red principal. a) Todos los electrodos de tierra. metal. y pastillas de pararrayos. El fundamento de estos dispositivos por lo general debe limitarse a un solo punto para evitar cualquier camino paralelo que podrían hacer que la circulación no deseada de las corrientes que afectan el rendimiento de relés y dispositivos de medición. se debe conectar a la red con más de una toma de tierra. todas las capas de pintura que de lo contrario podría introducir una conexión altamente resistente deben eliminarse. Además. los neutros de las máquinas y del alumbrado y circuitos de potencia. 9 . una atención especial debe prestarse a la posibilidad de circulación de las corrientes inducidas no deseadas. accidentalmente. el tanque del transformador se utiliza a veces como parte de una vía a tierra para pararrayos. guardias. soldadura fuerte. o conectores de tipo presión pueden ser utilizado para las conexiones subterráneas (véase 11. tanques de transformadores. incluido el de las conexiones. Las conexiones soldadas deben evitarse debido a la posibilidad de fallar en virtud de corrientes de falla altas. como rejillas de tierra. puede escapar a la detección. tales como transformadores y tanques de interruptores. transformadores y.9 Una posible excepción es la conexión a tierra de los secundarios de transformadores de corriente y potencia. las partes conductoras metálicas que pueden estar en un potencial diferente en relación con otras partes metálicas que se puedan energizar deben ser unidos entre sí. Los cables deberán realizarse. Todos los cables de tierra accesibles deben ser inspeccionados periódicamente. Un circuito abierto. Los cables de cobre o tiras suelen emplearse para estas conexiones a tierra. tales como estructuras metálicas. carcasas de máquinas. La soldaduras exotérmicas.4). pozos de tierra. y es obvio que no es práctico para inspeccionar partes enterradas de la red de puesta a tierra una vez que esté instalado. barras de cobre.4. La igualdad de división de las corrientes entre múltiples conductores de tierra. Sin embargo. Del mismo modo. bancos de capacitores o condensadores de acoplamiento. incluso en lugares expuestos. tales como puentes a través de las conexiones. preferiblemente en direcciones opuestas para eliminar las fallas de modo común. es y puede ser mantenido como equivalente a la de los conductores que normalmente se instala. agua o tuberías de gas. normalmente a través de la red de tierra. en su caso. agua y pozos de agua cubiertos. Una discusión más detallada de los métodos de prueba utilizados para determinar la continuidad de los sistemas de puesta a tierra enterrada está incluida en 19. la mayoría de las estructuras de acero o de aluminio se pueden utilizar para la conexión a tierra si se puede establecer que la conductividad. armazones metálicos convencional o interruptores aislados a gas. Cuando se siga esta práctica. en las conexiones cruzadas o puntos de unión similares no se debe asumir. los marcos de interruptor. y. se deben tomar para evitar el deterioro posterior de la conexión. La cláusula 10 cubre el tema con más detalle. etc. Aquellas instalaciones que tienen más probabilidades de suministro o de una alta corriente. u otros medios eficaces. b) Todas las partes de metal conductoras sobre el suelo que. y un compuesto para juntas adecuado deberá aplicarse. donde sea aplicable. podrían energizarse. etc. c) Todas las fuentes de corrientes de falla tales como pararrayos. En el caso de las instalaciones de GIS. 10. las frecuencias de oscilación dominantes.4 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los componentes metálicos designados de la subestación de aislamiento a gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestación. 10.1 Definiciones NOTA-Las siguientes definiciones también se enumeran en la cláusula 3. Estos transitorios pueden tener tiempos de subida en el orden de nanosegundos lo que implica un contenido de frecuencia que se extiende a cerca de 100 MHz. 10. que se encuentran en cerramientos aterrados de sistemas GIS.1 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase están unidos entre sí para proporcionar un camino eléctricamente continúo de corriente a lo largo del recinto entero. y que normalmente consiste en buses. 10.6 Voltaje Transitorio Encerrado (TEV): Muy rápidos fenómenos transitorios. por lo general están en el rango de 20-40 MHz.10.8 Transitorios de Sobretensión Veloces (VFTO): Sistema de sobretensiones que resultan de la generación de VFT. interruptores y equipos asociados (subconjuntos).2 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas en la caja metálica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s). conectando los recintos de otra fase. algunos componentes de baja frecuencia (≅ 1 MHz) pueden estar presentes como consecuencia de la descarga de la resistencia interna despreciable (transformadores de . Mientras VFT es uno de los principales constituyentes de VFTO. VFT es generado por el rápido colapso de tensión durante la degradación del gas aislante. Sin embargo.1.7 Transitorios Veloces (VFT): Una clase de transitorios generados internamente dentro de una subestación aislada por gas (GIS). 10. que van con el tamaño físico de los buses GIS. introducido en una caja metálica conectada a tierra en el que el principal medio de aislamiento es un gas. pero repite aquí para comodidad del lector. ya sea a través de los contactos de un dispositivo de conmutación o línea a tierra durante una falla.1. Empalmes. Consideraciones especiales para los GIS 10. Típicamente. El fenómeno también es conocido como aumento de tierra transitoria (TGR) o aumento de potencial de tierra transitorio (TGPR). 10.1.1.1.3 Subestación de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente de montaje compacto. se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalación y en algunos puntos intermedios seleccionados. 10. los cables de tierra son demasiado largos (inductivo) en las frecuencias de interés para prevenir eficazmente la aparición de TEV.1. 10. caracterizada por corta duración y de muy alta frecuencia.1.1. de modo que no puede fluir la corriente más allá de cada sección de la caja.5 Cerramiento Discontinuo: Una recinto de bus con las secciones consecutivas del alojamiento del mismo conductor de fase aislada eléctricamente (o aislados entre sí). tensión). Por lo general, VFTO no superará 2,0 por unidad, aunque magnitudes más grandes son posibles en casos concretos. 10.2 Características de las GIS Las GIS son objeto de la misma magnitud de falla a tierra y necesite la misma tierra de baja impedancia como subestaciones convencionales. Normalmente, la instalación GIS requiere entre un 10-25% de la superficie requerida para los equipos convencionales. Debido a esta área tan pequeña, puede ser difícil obtener la conexión a tierra adecuada exclusivamente por métodos convencionales. Se debe prestar especial atención a la unión de los gabinetes metálicos en el ensamblaje de las GIS, ya que esos recintos conducen corrientes inducidas de magnitud importante, que debe limitarse a rutas específicas. En este sentido, las recomendaciones de conexión a tierra por el fabricante de una GIS dada por lo general deben ser seguidas estrictamente. Como resultado de la naturaleza compacta de las GIS y sus distancias cortas, la interrupción eléctrica en el aislamiento a gas, ya sea a través de los contactos de un dispositivo de conmutación durante la operación o en una falla que genera transitorios de muy alta frecuencia que puede acoplar en el sistema de puesta a tierra. En algunos casos, estos transitorios pueden tener que ser consideradas en el diseño de puesta a tierra en general. Estos transitorios pueden causar magnitudes altas, de corta duración de alzas de tierra también son la fuente de interferencia electromagnética (EMI) en la GIS. Si bien está más allá de EMI el alcance de este documento, las técnicas de reducción de EMI a menudo implican consideraciones especiales en el diseño de puesta a tierra (Harvey [B79]). 10.3 Corrientes cerradas y circulantes La efectividad de blindaje de la carcasa del bus está determinada por su impedancia, que regula la circulación de corrientes inducidas. Con recintos separados para cada fase, la magnitud y la dirección de la corriente encerrada se ve influenciada por el tamaño del local y la separación entre los buses de las fases, así como por el método de interconexión de los recintos. En el diseño de un cerramiento continuo, se induce un voltaje en un cerramiento por la corriente en el conductor que lo rodea, produciendo un flujo longitudinal en curso en el recinto. Cuando una continuidad de todas las fases se mantiene a través de conexiones cortas en ambos extremos, el recinto actual es sólo ligeramente menor que la que fluye en el interior del bús en la dirección opuesta. Esto devuelve corriente a través de la caja (cerramiento) de las fases adyacentes cuando la carga se iguala entre las fases. La corriente rezagadas magnetizantes de las corrientes cerradas de aproximadamente 90 °. El flujo es principalmente contenido dentro del recinto. En un diseño de cerramientos no continuos, no hay caminos de retorno para las corrientes cerradas externas. Así, el voltaje inducido en un cerramiento no continuo por la corriente de un bus (es) interno (s) que lo rodea no puede producir un flujo de corriente longitudinal. Además, las tensiones podrían ser inducidas en cada cerramiento por las corrientes en los conductores no encerradas por ellos. Tensiones no uniformes resultan, causando flujos corrientes locales en cada sección de cerramiento aislado, con las corrientes fluyendo en patrones no uniforme. Debido a estas características, el diseño no continuo se considera generalmente menos ventajoso que la de tipo continuo. Como tal, no es actualmente utilizado por la industria. 10.4 Puesta a tierra de los cerramientos Normalmente, los recintos de tipo contínuo proporcionan una vía de retorno para las corrientes inducidas de forma que el conductor y el gabinete forman un par concéntricos con blindaje eficaz externo del campo interno al cerramiento. Sin embargo, en virtud de las faltas asimétricas, el componente de corriente continua (DC) no está protegido y causa una caída de tensión externa debido a la resistencia del cerramiento. Frecuentemente la unión y conexión de recintos GIS es la mejor solución para minimizar el riesgo tensiones de toque y paso dentro del área GIS. Medidas adicionales10 incluyen el uso de plataformas de conductor (alfombrillas de tierra) que están conectadas a las estructuras de las GIS y a tierra. Para limitar los efectos adversos causados por corrientes circulantes, los requisitos que deberán cumplir son los siguientes: a) Todos los gabinetes metálicos normalmente operan a nivel de tensión de tierra. b) Cuando la tierra en los puntos designados, el diseño del cerramiento del bús debe asegurarse de que no existen importantes diferencias de voltaje entre las secciones de cerramiento individual y las estructuras de soporte ni ninguna parte de los sistemas de puesta a tierra se vea influenciada por el flujo de corrientes inducidas. c) Para evitar la circulación de las corrientes cerradas más allá del canal de retorno regular dentro del ensamblaje de la GIS, chaqueta de tierra del cable de alimentación debería estar vinculada al sistema de tierra a través de conexiones que están separados de los cerramientos de la GIS. Para facilitar este aislamiento, el diseño de los terminales de cables deben ser tal que una brecha de aire aislante o elementos propios de aislamiento se deben proporcionar. Muy rápido transitorios generados por la conexión o por fallas en las GIS pueden provocar estos elementos de aislamiento los parpadeos. En tales casos, las consecuencias de tales parpadeos en la distribución de corriente en el sistema de puesta a tierra debe ser considerado (Fujimoto, Croall, y Foty [B68]). d) Corrientes cerradas de retorno tampoco se pueden permitir que fluyan a través de cualquier transformador de corriente montado. A pesar de todas las medidas descritas, la presencia de corrientes circulantes se pueden causar en diferentes partes de la carcasa de metal de la GIS que tiene un potencial ligeramente diferente a la tierra. A pesar de las 10 diferencias de voltaje resultante son pequeñas y, en general no afectará a un riesgo de electrocución, puentes metálicos accidentales de recintos adyacentes pueden causar molestas chispas 10.5 Cooperación entre el fabricante y el usuario de la GIS Por lo general, es el fabricante SIG quien define claramente lo que constituye la barra de tierra de la GIS y especifica lo que se requiere del usuario para conectar el conjunto de la GIS a la tierra de la subestación. Amplia documentación es necesaria para asegurar que ninguna de las conexiones propuestas de la barra de tierra principal de la red de conexión a tierra interfiere con las rutas requeridas de las corrientes cerradas o cualquier otra característica operativa del diseño de la GIS. Esto puede ser especialmente pertinente si la barra de tierra principal consiste en un sistema de interconexiones entre los componentes de la GIS y las estructuras, y las barras no separadas (bucle continuo de barra de tierra común) están amuebladas. Por lo general, el fabricante de GIS también ofrece, o es responsable de: a) Proporcionar la unión subconjunto a subconjunto para asegurar gradientes de tensión seguras entre todas las partes intencionalmente aterradas del ensamblaje de la GIS y entre las zonas y la barra de tierra de la GIS. b) Equipos conectores de acceso fácil de suficiente resistencia mecánica para resistir las fuerzas electromagnéticas y abuso normal, y que son capaces de llevar la falla de corriente máxima prevista en la parte del circuito sin sobrecalentamiento. c) Proporcionar caminos de tierra o conectores, o ambos, lo que permita, al menos, por dos rutas de acceso a tierra de la barra de tierra principal, o de cada caja metálica y auxiliares pieza de equipo de la GIS designado para una conexión a tierra de la subestación si la barra de tierra principal de el conjunto de la GIS en realidad no existe. d) Recomendar los procedimientos adecuados para las conexiones entre metales diferentes, por lo general entre un cable de cobre o de un conductor de tierra similares y recintos de aluminio. El usuario por lo general proporciona información sobre las fuentes de corriente de falla y la magnitud esperada y duración que deben ser considerados. Por otra parte, el usuario debe asistir al fabricante de la GIS en la revisión de todas las disposiciones propuestas para asegurar la conexión a tierra adecuada de interconexión de: a) Conexiones para la corriente de neutro a tierra de equipos o aparatos y para disipar los aumentos repentinos causados por rayos y conmutaciones en la GIS. b) Dispositivos para disipar los rayos y las corrientes transitorias de conmutación externas a la GIS. c) Requerimientos de reinstalación de protección, y que cumpla las disposiciones necesarias para las instalaciones telefónicas y de comunicación. según lo acordado por el fabricante de la GIS y el usuario. otras precauciones podría ser necesario (Dick. g) El cumplimiento de las especificaciones de puesta a tierra. . Una de las áreas problema típico es la tubería auxiliar entre la cámara de aceite de terminales individuales GIS y la cámara de difusión de aceite en el extremo de un cable de tubería que frecuentemente se ramifica a una variedad de instrumentos de control de presión de aceite y los dispositivos de alarma (Graybill. f) Condiciones de seguridad para la tensión de paso y de tacto. si es posible.d) Conexiones a tierra a todos los apoyos a los marcos y estructuras. y Nadkarni. Igualdad de atención que se necesita en la proximidad de las discontinuidades en el recinto de puesta a tierra en los caminos las conexiones del transformador a la GIS y en los puntos de interfaz de conmutación convencionales para evitar corrientes circulantes en el interruptor automático y el tanque de acero del transformador. en circunstancias normales y anormales de funcionamiento de la GIS. tales como transformadores o interruptores separados. 10. En su caso. fundas metálicas. e instalación de blindaje para terminaciones de cables en su caso. Fujimoto. Croall. Koehler. de corregir las prácticas relacionadas con la conexión a tierra. a veces surgen problemas si el mismo nivel de aislamiento también se espera en la interfaz de otros puntos. el aislamiento de los cables del sistema de puesta a tierra de las tuberías de aceite de alta presión de la GIS implica a menudo dificultades. el aislamiento de las piezas metálicas se realiza generalmente mediante los medios de cerámica o insertos de plástico. y Nicolás [B77]). o el refuerzo de acero. estructuras. Para protegerse contra tensiones transitorias. y para evitar la creación de lazos de corriente a través de equipos de subestación. Fujimoto. o si cualquier ruta de acceso de corriente sostenida en parte podría cerrar o pasar a través de las estructuras a tierra. Por ejemplo. Ford y Harvey [B52]. el esquema de puesta a tierra de la subestación y la distribución física debe ser cuidadosamente revisados con el fabricante de la GIS. e) Las conexiones con todos los caminos a tierra o los conectores suministrados por el fabricante de la GIS. En muchos casos. todos los elementos de aislamiento debe ser capaz de soportar la diferencia de todo el potencial que puede ocurrir entre el sistema de tierra y lo externo a la GIS. Si existe la posibilidad de indeseables lazos de corriente a través de las conexiones a tierra. Ford y Geddes [B67]. Allí. los transitorios muy rápidos generados por la conexión o por fallas en la GIS pueden causar tensiones transitorias muy altas para aparecer en estos puntos. Adecuada distancia de fuga debe ser suficiente. Aunque los terminales individuales HV o EHV pueden proporcionar una separación adecuada de las tierras externas (por la virtud de un diseño que por lo general incluye el uso de aisladores de la placa base fabricada en porcelana de alta tensión nominal o fibra de vidrio). y Foty [B68]).6 Otros aspectos especiales de la puesta a tierra de las GIS Se deben tomar precauciones para evitar corrientes excesivas a ser inducida en los marcos adyacentes. que puede causar irregularidades en una ruta de acceso a la corriente de descarga. Las siguientes circunstancias son motivo de preocupación. estar considerablemente más cerca que los cables de una malla de tierra típica. Si un piso de losa continuo se utiliza. de las barras. o cuando el diseño requiere un cambio brusco en la patrón de electrodos a tierra. al ser un conductor bastante bueno en sí. apenas corriente ajustado fuera . Para más detalles. El supuesto es que esta medida debe producir una tierra mejor y las barras de refuerzo. pueden actuar como electrodos de tierra auxiliares y pueden serlo a condición de que en ningún caso la descarga de la corriente daría lugar a un daño del concreto debido a un recalentamiento local o a una erosión gradual de las ligaduras concreto-acero. El efecto directo del voltaje transitorio cerrado (TEV) en seres humanos no pueden ser mortales.7 Notas sobre las fundaciones de puesta a tierra de la GIS Desde el camino de tierra de las corrientes de tierra se encuentra fuertemente afectada por la posición relativa de los objetos conductores que se encuentran en el suelo. más se debe prestar atención a aquellas partes del sistema de puesta a tierra de la GIS que incluyen discontinuidades. el hormigón con barras de refuerzo producirá un campo potencial sustancialmente uniforme en toda la superficie del piso. podría producir una tensión más uniforme a nivel del suelo si no hay corriente ajustada en las barras de refuerzo del sistema de tierra. Además. un monolito de concreto con losa de acero reforzado es ventajoso tanto como un dispositivo de conexión a tierra auxiliar y por motivos sísmicos. Se podría argumentar que la losa de concreto.) Por lo tanto. (En ambos tableros se encuentran al mismo potencial. una parte sustancial de la zona de la subestación es a menudo ocupado por unos cimientos de concreto. En el espacio limitado de subestaciones GIS. el campo eléctrico en la tierra entre las barras de la losa y la red subyacente sería cero. Si las barras están conectadas.En éstas y otras muchas circunstancias. deben producir más aun los potenciales dentro del suelo y en la superficie. 10. en el concreto y hacia la rejilla de tierra.12 Fundaciones GIS. un complemento en buena medida es atar la malla de refuerzo de acero a la barra de tierra común (barra de tierra principal) para que tanto el recinto GIS y el acero estructural sobre la base estén aproximadamente al mismo nivel de potencial.6. pero su efecto secundario sobre el personal deberá ser de interés para el ingeniero de diseño y el fabricante. En este sentido. consulte a 14. 11 12 TEV podría requerir que los requisitos de compatibilidad electromagnética más estrictas sean considerados para el equipo auxiliar. 11 una estrecha colaboración con el fabricante de los GIS en las primeras etapas del diseño es muy importante. que incluyen barras de refuerzo y otros metales. todavía hay circunstancias en las que el usuario tiene que determinar que toda la instalación es segura. o ambos.8 Tensión de toque criterios para GIS Aunque el fabricante GIS en general.10. varios bucles se forman. si no todos. claramente designada. algunos de los aspectos críticos de la interconexión de las GIS con un sistema de tierra se analizan brevemente a continuación. En contraste con la sabiduría general de que una conexión grande a tierra equivale necesariamente a una buena práctica de puesta a tierra. la trayectoria de las corrientes cerradas incluye algunos elementos estructurales del marco de las GIS y los cerramientos mismos. los cálculos que son necesarios para determinar las tensiones de la envoltura y las corrientes durante las fallas. y 2) dónde y hasta qué punto el ingeniero de diseño o el fabricante de GIS. si no hubiera corriente circulante (al menos por un fallo externo) a través de las conexiones a tierra? d) Y. se hace necesario limitar la corriente por el cuerpo a un valor en un rango de miliamperios. varias preguntas se deben responder: a) Si las corrientes se dividen y el flujo a través de todos los caminos metálicos disponibles. Tener esta posibilidad en mente. Una cierta paradoja. Típicamente. Debido a un corte transversal de los mencionados miembros estructurales generalmente mucho menor que el del cerramiento y comparable a la de las tiras que conectan a tierra el ensamblaje de la GIS a una malla de tierra (y para el caso. Algunos fabricantes prefieren suministrar una barra de tierra especial (barra de tierra principal) como parte del paquete de la GIS. inherente al diseño de GIS. Con cada cerramiento de fase vinculada a los cerramientos de las fases adyacentes en ambos extremos. con puntos de conexión a tierra. sino simplemente designan a determinados puntos del cerramiento los puntos de aterramiento y dejan que la utilidad complete la puesta a tierra. también a las barras de refuerzo de la cimentación de concreto). en un diseño de cerramiento continuo. prefieren estas corrientes a circular. por último. En cualquier caso. los diseños del equipo para cumplir los requisitos ya mencionados para la operación segura y por lo general la mayoría lleva a cabo. mientras que las corrientes de falla que son de gran preocupación desde cientos a miles de amperios. la corriente generada en los recintos GIS que circula durante una falla también debe ser tomada en cuenta. Para tener en cuenta son: 1) cuando estas corrientes se distribuirá. se puede producir cuando se trata de determinar el mejor concepto de aterramiento de GIS. Otros no usan ninguna barra de tierra principal en absoluto. ¿qué porcentaje se espera que entre las corrientes que circulan en el ensamblaje de la GIS y los que circulan a través de una conexión a tierra? b) ¿Cuánta corriente que circula a través de un bucle de conexión a tierra es demasiada? c) Debería la GIS diseñada para ser seguro. ¿cuánto se necesita de conexión a tierra para el mejor equilibrio entre las necesidades operativas y de seguridad relacionadas? En la actualidad. no existen respuestas claras y soluciones a las cuestiones mencionadas anteriormente. Por lo tanto. uno puede asumir con seguridad que la diferencia . a) El caso de un fallo interno con retorno por tierra requiere la adición de la caída de tensión resistiva e inductiva a la caída de resistencia que representa la diferencia de potencial entre el suelo de la subestación y el punto bajo los pies de una persona. los fabricantes de GIS realizan cálculos para determinar los parámetros básicos de diseño. una losa de hormigón o la capa de suelo por encima de la rejilla de puesta a tierra). Esto hace difícil el cálculo de las corrientes inducidas en sentido longitudinal y para algunas fallas externas a distancia a menudo poco práctico. 10. como demasiados parámetros permanecen sin definir. incluidos los miembros horizontal o vertical para que se diseña el montaje GIS En situaciones prácticas. como se muestra en la Figura 16. o entre estos recintos y las estructuras de soporte.9 Recomendaciones Las siguientes recomendaciones deben ser consideradas para las instalaciones de GIS: Al aplicar el criterio de la tensión de contacto ecuación (36). el término inductivo E’ to max en la ecuación (36) es cero]. Esto generalmente no es necesario a las fallas externas a la GIS. sólo una pequeña modificación del criterio de aplicación de la ecuación (32) y la ecuación (33) se requiere a fin de tener en cuenta la altura de caída de tensión inductiva que ocurren dentro del ensamblaje de la GIS. las tensiones inducidas en la envoltura debería ser evaluada para un contacto de mano-a-mano metal-a-metal. . según lo determinado por el punto por debajo de los pies de una persona E' to max es el valor máximo (predominantemente inductivo) de diferencia de tensión metal-metal en GIS y entre cerramientos. pero el cálculo de tensiones de paso y contacto en la superficie de la tierra es la misma que para las instalaciones convencionales [es decir. a causa de una gran variedad de posibles arreglos físicos del ensamblaje de la GIS. Por el lado de contacto a los pies hechas por una persona de pie en una superficie no metálica (por ejemplo. Luego el caso de una persona que toque la cubierta metálica GIS se puede reducir al problema de encontrar la caída de voltaje entre dos puntos de contacto a lo largo de uno o dos cajas y una tierra común. tales como separación y el emplazamiento de las conexiones. Por regla general. Por un fallo externo de línea a tierra. los siguientes hechos deben ser considerados. El criterio de tensión de contacto para la GIS es (36) Donde Et es la máxima tensión de contacto. una multiplicidad de caminos de retorno y considerable acoplamiento transversal (cruzamientos) se produce.de potencial existente antes de un contacto no cambiaría mientras le abre la corriente a través de un camino alternativo incluso el cuerpo. típicas fallas en las GIS 11. incluyendo los conductores de la malla. . y todos los electrodos primarios.4 11. Selección de Conductores y Conexiones En la evaluación del material del conductor al tamaño o al límite de temperatura máxima permisible debe aplicarse en situaciones de diseño individual. deberán estar diseñados de modo que cumplan con la vida de diseño previsto de la instalación.1 a 11. d) Ser capaz de mantener su función. incluso cuando son expuestos a la corrosión o abuso físico. las conexión a tierra. Figura 16 . b) Resista la fusión y el deterioro mecánico bajo la combinación más desfavorable de magnitud y duración de una falla. el elemento será: a) Contar con la conductividad suficiente. las conexiones. la elección final debe reflejar siempre las consideraciones expuestas desde 11. sólo el caso de un primer plano en el fallo [caso (B) en la Figura 16] debe ser analizada porque remota fallas externas causará menos problemas.b) Al evaluar la magnitud de las tensiones. por lo que no va a contribuir sustancialmente a las diferencias de voltaje local.1 Requisitos Básicos Cada elemento del sistema de puesta a tierra. c) Ser mecánicamente fiables y robustos en un alto grado. causadas por fallas externas a las GIS. la alta pureza en grados del conductor eléctrico se recomienda ya que sigue siendo el más adecuado que la mayoría de las aleaciones. a pesar de que. 11. El uso de cobre. de ser interconectados a uno de estos metales en la presencia de un electrolito.2 Elección del Material para los Conductores y los Problemas Relacionados con la Corrosión 11. están las siguientes desventajas a considerar: a) El aluminio se puede corroer en ciertos suelos. Por supuesto.4 Acero El acero puede ser usado para los conductores de la red de tierra y varillas. en combinación con la de protección catódica. 11. siempre y cuando los conductores sean de un tamaño adecuado y no estén dañados y las condiciones del suelo no sean corrosivas para los materiales utilizados. Sin embargo.2.2. El uso de un acero galvanizado o resistente a la corrosión. tienen la ventaja de ser más resistentes a la corrosión subterránea porque el cobre es catódico con respecto a la mayoría de los metales que puedan ser enterrados en las proximidades. este diseño requiere que se preste atención a la corrosión del acero.1 Cobre El cobre es un material común usado para aterramiento.2. Aunque a primera vista el uso de aluminio sería una elección natural para equipos GIS con cerramientos de aluminio o aleaciones de aluminio. Por lo tanto. como el acero. se aliviaría el problema de contribuir a la corrosión de otros objetos enterrados. Los conductores de cobre. Si el aluminio se usa.2. el aluminio es anódico a muchos otros metales.2 Cobre Revestido de Acero El cobre revestido de acero se utiliza generalmente para las barras enterradas y en ocasiones incluso para las mallas de tierra. . b) La corrosión gradual causada por la corriente alterna también puede ser un problema en determinadas condiciones. La capa de de corrosión del material de aluminio es no conductivo a todos los efectos prácticos de puesta a tierra. sobre todo cuando el robo es un problema. por lo tanto asegura que la integridad de una malla de tierra enterrada se mantendrá durante años. 11.3 Aluminio El aluminio se utiliza para redes de tierra con menos frecuencia. el aluminio se sacrificará para proteger al metal.11. incluyendo el acero y. además de su alta conductividad. es típico de los sistemas de puesta a tierra de acero (Mahonar y Nagar [B101]). el aluminio debe usarse sólo después de una investigación completa de todas las circunstancias. o en menor grado-de cobre revestido de acero. Estas ecuaciones evalúan la capacidad de corriente de cualquier conductor para los que las constantes de materiales son conocidos. que se toman de la derivación por Sverak [B133]. La capa aislante se aplica generalmente a la tubería. 11.3 Factores de Tamaño del Conductor 11. La desventaja de usar un conductor de cobre estañado es que se acelera y se concentra la corrosión natural.11. etc. causada por los químicos en el suelo. compuesto de asfalto.1 Corrientes Simétricas El corto tiempo de aumento de la temperatura en un conductor de tierra. Una discusión detallada de estos fenómenos está más allá del alcance de esta guía. es esencial considerar todos los aspectos de la prevención de la corrosión antes de diseñar el sistema de puesta a tierra. Constantes del material de los materiales de puesta a tierra de uso común se muestran en la Tabla 1. tuberías.2. Estas ecuaciones también se incluyen en el Apéndice B en IEEE Std 837-1989. o ambos. el uso de protección catódica también puede ser necesaria por otras razones. Muchos estudios se han realizado y se ha publicado mucho sobre este tema. En GIS. del cobre en cualquier pequeña área desnuda Otros métodos de uso frecuente son: a) El Aislamiento de las superficies del metal de sacrificio con una capa como de cinta de plástico. Directrices específicas son difíciles de establecer porque las condiciones de la subestación pueden ser diferentes debido a su ubicación y aplicación en el sistema de energía eléctrica. c) La protección catódica mediante ánodos de sacrificio o de sistemas de corriente impresa. Las ecuaciones (37) a la (42) se derivan de las corrientes simétricas (sin desplazamiento DC). Estañar el cobre se ha intentado por algunos de los servicios públicos. La protección catódica se utiliza comúnmente para proteger las instalaciones que son externos a los GIS. o puede ser determinado por el cálculo.5 Otras consideraciones Una red de cobre o de cobre revestido de acero forma una pila galvánica con estructuras de acero enterradas. Debido a la complejidad de las instalaciones de GIS.3. Esto reduce el potencial de la pila con respecto al acero y el zinc en un 50% y prácticamente elimina esta posibilidad con respecto al plomo (estaño siendo un poco de sacrificio al plomo). y se puede obtener de la ecuación (37) a la (42). b) Enrutamiento de elementos metálicos enterrados de modo que cualquier conductor de base de cobre cruce líneas de tubería de agua u objetos similares hechas de otros metales no recubiertos tan cerca como sea posible en ángulo recto. y luego aplicar una capa de aislamiento a uno de los metales o al otro en dónde este la proximidad. cables blindados. y cualquiera de las aleaciones de plomo que pueden estar presentes en las vainas de cable. o el tamaño del conductor necesarias es función de la corriente del conductor. Esta pila galvánica puede acelerar la corrosión de este último. . d) El uso de tuberías y conductos no-metálicos. tales como cables de tipo tubería a presión. El tema de la tierra en virtud de la corrosión y protección catódica es complejo. Si el tamaño del conductor se da en kcmils (mm2 kcmils = 1. en J/ (cm3·ºC) (se describe en 11.3.Dónde I es la corriente rms en kA 2 A mm es la sección transversal del conductor en mm2 Tm es la temperatura máxima admisible en °C Ta es la temperatura ambiente en °C Tr es la temperatura de referencia para las constantes de material en °C αo es el coeficiente térmico de resistividad a 0 °C en 1/°C αr es el coeficiente térmico de resistividad a una temperatura de referencia T r en 1/°C ρr es la resistividad del conductor de tierra a una temperatura de referencia T r en μΩ-cm Ko 1/α o ó (1/α r ) – T r en ºC Tc es la duración de la corriente en s TCAP es la capacidad térmica por unidad de volumen de la tabla 1.1. la ecuación (37) se convierte en (38) . La Tabla 1 proporciona datos para α r y ρ r a 20 º C.1) Cabe señalar que α r y ρ r ambos se encuentran a la misma temperatura de referencia de T r ºC.974). a) De las normas de ASTM.020 in) No. b) Barras de cobre revestido de acero sobre la base de 0. 304 de acero inoxidable de espesor sobre núcleo de acero N º 1020. .010 in) de espesor de cobre. c) Varilla de acero inoxidable revestido sobre la base de 0.254 mm (0.508 mm (0. siempre y cuando la duración de la falla es de unos pocos segundos. SW. y el 100% y el 97% de conductores de cobre. reflejan dos hipótesis base a) Que todo el calor se mantendrá en el conductor (proceso adiabático). El Calor específico.Las ecuaciones (37) y (38).1. en cal/ (grams ºC) y peso específico. 11. b) Que el producto del calor específico (SH) y el peso específico (SW). TCAP. La ecuación (37) y (38) se puede arreglar para dar el tamaño del conductor requerido como una función de la corriente del conductor Ejemplo: Una tabulación se puede hacer. en relación con la ecuación (39) (que define TCAP). se define por TCAP. Para la mayoría de los metales.1 Formulaciones Alternas TCAP puede ser calculado para los materiales que no figuran en la tabla 1 del calor específico y peso específico. TCAP [cal/ (cm3 · ºC)] = SH [cal/ (gram · ºC)] * SW (gram/cm3) ó TCAP [J/ (cm3 ·ºC)] = 4. estas premisas son aplicable en un rango de temperaturas bastante amplia. para calcular el tamaño para 1 s de un conductor de acero revestido de cobre al 30%. para obtener datos para el 30% y el 40% de acero con revestimiento de cobre. en gram/cm3 están relacionados con la capacidad térmica por unidad de volumen en J/ (cm3 ºC) como sigue: 4.184 (J/cal) * SH [(cal/ (gram · ºC)] * SW (gram/cm3) (39) Una vez que se determina TCAP. utilizando la ecuación (41) y la tabla 1. Por ejemplo. es aproximadamente constante dado que los incrementos SH y SW disminuye en la misma tasa. se obtiene .3. SH. la ecuación (37) y (38) se puede utilizar para determinar la capacidad de corriente del conductor.184 J = 1 caloría Por lo tanto. 3.86.0. basada en 11. ρ 20 = 5.85. T a = 40.1.003 78. para I = 1 kA y utilizando la ecuación (41) 11. TCAP = 3. T m = 1084.3) y utilizando la temperatura ambiente (T a ) de 40ºC .t c = 1. α 20 = 0.3. K 0 = 245 Así.2 Simplificación de la Fórmula La fórmula en Unidades Inglesas se puede simplificar a lo siguiente: Dónde A kcmil es el área del conductor en kcmil I es la corriente rms de falla en kA es la duración de la corriente de falla en s Tc Kf es la constante de la tabla 2 para el material en varios valores de Tm (la temperatura de fusión o la temperatura del conductor limitada. = 242. Ejemplos: Utilizando la ecuación (42) de 20 kA.Ver 11.5 kcmil ii.3 para los comentarios sobre la selección del material.0 kcmil use 19 conductores /#7 c) Para conductor de acero . para una falla de 3 s a) Para cobre suave elaborado i.3. use 250 kcmil b) Para conductor de acero de cobre revestido al 40% de conductividad = 362. 3.2 Usando las Tablas de Corrientes Asimétricas Debido a que el desplazamiento DC en la corriente de falla hará que el conductor pueda llegar a una temperatura más elevada para las condiciones de la misma falla (duración de la corriente de falla y la magnitud). pero sigue siendo constante en su valor inicial sub-transitoria.2. que representa el valor efectivo de una corriente integrada asimétrica durante la duración de la falla.3. en la corriente de falla deseada. b) El conductor debe tener una conductividad bastante alta para prevenir cualquier posible caída de tensión peligrosa durante una falla.= 552.I F . c) La necesidad de limitar la temperatura del conductor (véase 11. Además. t c .2 Corrientes Asimétricas 11.3. antes de la aplicación de la ecuación (37) hasta la (42). ecuación (79) en 15. Usando un conductor 4 / 0 AWG (211. El valor resultante de I F es siempre mayor porque el factor de disminución se basa en una hipótesis muy conservadora de que el componente de corriente alterna no se descompone con el tiempo.1 Uso del Factor de Disminución En los casos en que se constituya una posible componente de desplazamiento DC.10. la ecuación (43) determina un valor equivalente de la corriente simétrica en presencia del desplazamiento DC.3). d) Un factor de seguridad debe aplicarse al sistema de puesta a tierra al igual que como otros componentes eléctricos. 11.3. un valor equivalente de la corriente simétrica. si está presente.2. para la vida de la instalación de puesta a tierra. 11.5 kcmil use conductor de 7/8 pulgadas de diámetro También se puede comparar las corrientes de fusión de un tamaño de conductor establecido por períodos de tiempo diferentes. el . se puede determinar en función de X / R utilizando el factor de disminución D f .6 kcmil) de cobre suave elaborado como ejemplo El tamaño del conductor que tiene seleccionado es normalmente mayor que el basado en la fusión a causa de factores tales como: a) El conductor debe tener la fuerza para resistir todas las previsiones de abuso mecánico y corrosivo durante la vida útil de diseño de la instalación de puesta a tierra. Capacidad de transporte de corriente definitivo de cables de cobre de puesta a tierra. y luego ampliamente verificado experimentalmente (Reichman. Vainberg. valores RMS de corrientes. Sin embargo. a la frecuencia de 60 Hz. y Kuffel [B122]). el efecto del desplazamiento DC puede pasarse por alto si la duración de la corriente es mayor o igual a 1 s o la relación X / R de la ubicación de la falla es menor que 5. corriente en kiloamperes Tabla 4 -. Las características de fusión de los distintos tamaños de conductor de cobre con diferentes grados de desplazamiento DC se presentan en las Tabla 3 a la 6. corriente en kiloamperes . Tabla 3 -. X / R = 40. Estas características de fusión se han derivado teóricamente.Capacidad de transporte de corriente definitivo de cables de cobre de puesta a tierra. a la frecuencia de 60 Hz.desplazamiento DC dará lugar a fuerzas mecánicas y de energía absorbida siendo casi cuatro veces el valor que para el caso de una corriente simétrica equivalente. X / R = 20. valores RMS de corrientes. 10). y Kuffel [B122]). valores RMS de corrientes. en unidades métricas.Capacidad de transporte de corriente definitivo de cables de cobre de puesta a tierra. de la medida de AWG. . La temperatura del conductor inicial = 40 °C. X / R = 10. valores RMS de corrientes. corriente en kiloamperes NOTAS 1. a la frecuencia de 60 Hz. La Conversión suaves es un cálculo de área directa. Los valores de corrientes de la tabla 3 a la 6 fueron calculados con el programa de computadoras RTGC (Reichman. corriente en kiloamperes Tabla 6 -. 4. temperatura del conductor final = 1083 °C. 3.Tabla 5 -. Este programa puede ser utilizado directamente para determinar el tamaño del cable de puesta a tierra requerido para conocer la relación X / R y el tiempo de despeje de la falla.Capacidad de transporte de corriente definitivo de cables de cobre de puesta a tierra. X / R = 0. Los Valores métricos son conversiones suaves. La corriente se calcula para un máximo de desplazamiento DC (véase 15. Vainberg. a la frecuencia de 60 Hz. 2. los conductores enterrados.3 Factores adicionales de Tamaño de Conductor El diseñador debe tomar precauciones para asegurar que la temperatura de cualquier conductor y conexión en la instalación de puesta a tierra no represente un peligro para la operación segura de la subestación. La posible exposición a un ambiente corrosivo debe ser examinada cuidadosamente. Para pequeñas subestaciones. Sin embargo. Por ejemplo a) En general. Aunque podría parecer apropiado para el diseñador de establecer los tamaños mínimos en función de las condiciones locales. las grandes subestaciones. esto puede acercarse a 3 s o más. Los conductores de cable de tierra rara vez conducen la corriente de un relámpago esto no exige una mayor consideración. Algunas de las razones específicas son: a) Un mal funcionamiento de un Relé puede resultar en la duración de una falla en exceso de los tiempos de compensación primaria. Así. por lo general también es adecuado para llevar a tiempo las alteraciones causadas por un rayo (Bellaschi [B6]). entonces puede ser prudente no exceder de 250 ºC para prevenir el recocido de los conductores. Es menos costoso incluir un margen adecuado en el tamaño del conductor durante el diseño inicial que tratar de reforzar una malla de tierra en una fecha posterior. se despejara en 1 s o menos. Aun cuando el método de selección del tamaño del conductor y de la unión (conexión) sea correcta. la necesidad de la conservación merece consideración. deberán tener que ser más grandes que los conductores de la malla o deberán tener que ser múltiples desde el equipo a la malla para tener suficiente capacidad de corriente para soportar la corriente de falla total. mientras que la malla se divide esta corriente de manera que cada segmento de conductor en la red sólo este sometido a una fracción de la corriente total de falla. cumplan con todos los requisitos de ensayo IEEE Std 837-1989. 11. debido a que tienen sistemas de protección complejos o redundantes. El tiempo de respaldo de despeje suele ser adecuado para el dimensionamiento del conductor. En la práctica. puede ser prudente elegir un tamaño más grande de conductor para compensar una reducción gradual de la sección del conductor durante la vida útil de la instalación en donde el ambiente del suelo tiende a promover la corrosión. los requisitos sobre la fiabilidad mecánica establecerá el tamaño mínimo del conductor. b) Si la elaboración del conductor en cobre duro (mayor fuerza) es necesario por razones mecánicas.4 Selección de Conexiones Todas las conexiones que se realizan en una red de puesta a tierra por encima y por debajo de la tierra deben ser evaluadas para cumplir los mismos requisitos generales de los .3. b) El último valor de corriente utilizado para determinar el tamaño del conductor debe tener en cuenta la posibilidad de crecimiento futuro. Los conductores enterrados desde un equipo a la malla de tierra pueden ser sometidos a la corriente de falla total en la red. normalmente la falla en general. que se selecciona de acuerdo a las necesidades de corrientes de falla. El tamaño del conductor.11. los conductores y las conexiones cerca de materiales inflamables deben estar sujetos a las limitaciones de temperatura más estrictas. y fuerza mecánica para el mismo rango de tamaño y material de conductor. y resistencia mecánica. El valor varía un poco con el material del suelo. hasta que los gradientes se reducen a valores que el material del suelo puede soportar. Las conexiones de tierra que pasa el Std 837-1989 de la IEEE para un determinado rango de tamaño y material de conductor debe satisfacer todos los criterios de conductividad eléctrica. la conductividad eléctrica. pero por lo general tiene la magnitud de varios kilovoltios por centímetro. Estas conexiones deberán ser lo suficientemente solida como para mantener un aumento de temperatura inferior al del conductor y de resistir el efecto de la calefacción. la mayoría de los suelos se comportan tanto como conductor de resistencia. el gradiente siempre se puede suponer por debajo del rango crítico. Esta condición es ilustrada por la presencia de brechas en la Figura 17. resistencia a la corrosión. capacidad de carga de corriente. Una vez superado. A excepción de alta frecuencia y picos que penetran un material de suelo muy resistente. El Std 837-1989 de la IEEE proporciona información detallada sobre la aplicación y comprobación de las conexiones permanentes para su uso en mallas de tierra de subestación. arcos a tierra se desarrollan en la superficie del electrodo a fin de aumentar el tamaño efectivo de los electrodos.1 El suelo como medio de conexión a tierra El comportamiento de un electrodo (de tierra) enterrado en el suelo puede ser analizado mediante el circuito de la figura 17. y la tierra puede ser representada por una resistencia pura. es decir. Debido a que el sistema de puesta a tierra de la subestación normalmente está diseñado para cumplir con los criterios más rigurosos de tensiones de toque y de paso límites. capacidad de corriente de carga. Características del suelo 12. como un dieléctrico. 12. Las conexiones también debe ser lo suficientemente fuerte para soportar los esfuerzos mecánicos causados por las fuerzas electromagnéticas de un máximo de corrientes de falla y esperar ser capaz de resistir la corrosión durante la vida prevista de la instalación. Figura 17 . r. resistencia a la corrosión. . Como puede observarse.2 Efectos del gradiente de voltaje La resistividad del suelo no se ve afectada por un gradiente de potencial a menos que el último es superior a un cierto valor crítico. la corriente de carga es despreciable en comparación con la corriente de fuga.conductores utilizados.modelo del suelo 12. Figura 18-Efectos de la humedad. como se muestra en la curva 2 de la Figura 18. A 0 ° C. 12. Sin embargo.12. como se muestra en el estándar IEEE 142-1991. no es superior a 200 A/m2 por 1 s. Por esta razón. el agua en la tierra comienza a congelar y la resistividad aumenta con rapidez.3 Efecto de la intensidad de la corriente La resistividad del suelo en las inmediaciones de los electrodos a tierra puede verse afectada por la corriente que fluye de los electrodos a el suelo circundante. La curva 3 muestra esta variación típica de un suelo franco arenoso con un 15. y la variabilidad de los tamaños del grano. la temperatura y sal sobre la resistividad del suelo . temperatura y composición química La conducción eléctrica en los suelos es esencialmente electrolítica.2% de humedad en peso.4 Efecto de la humedad. Las características térmicas y el contenido de humedad del suelo se determinarán si una corriente de una determinada magnitud y duración será causa significativa de secado y así aumentar la resistencia efectiva del suelo. La cantidad de humedad dependerá además del tamaño del grano. la resistividad de la mayoría de los suelos se eleva abruptamente cuando los valores del contenido de humedad es menor del 15% del peso del suelo. compactación. Un valor conservador de la densidad de corriente. la resistividad se ve poco afectada una vez que el contenido de humedad supera aproximadamente el 22%. tal como lo indicó Armstrong [B4]. El efecto de la temperatura sobre la resistividad del suelo es casi insignificante para temperaturas por encima del punto de congelación. 12. EPRI TR-100863 [B64]). Estos valores no son válidos para todos los tipos y tamaños de piedra en una . es importante que la resistividad de la muestra de rocas típicas del tipo a ser utilizado en una zona determinada sea medida..15 m (4-6 pulgadas) de espesor disminuye el factor de peligro (relación de corriente de cortocircuito al cuerpo) en una proporción de 10:1. generalmente alrededor de 0.15 m (3-6 in) de profundidad. Las pruebas realizadas por Bodier [B14] en una subestación en Francia mostró que la grava de río utilizada en la superficie del patio cuando se humedecía había una resistencia de 5000 Ω · m. La curva 1 de la figura 18 muestra un efecto típico de la sal (cloruro de sodio) en la resistividad de un suelo que contiene 30% de humedad en peso (Towne [b147]). etc. se debe considerar la posibilidad de que el aislamiento pueda deteriorarse en parte mediante el llenado de los huecos por la compresión de las capas más bajas de lastre en el suelo debajo por el material de las excavaciones posteriores. son muy útiles para retardar la evaporación de la humedad y.La composición y la cantidad de sales solubles. las condiciones locales. estado de la piedra (Es decir. La tabla 7 indica que la resistividad del agua con la que la roca está mojada tiene una influencia considerable sobre la resistividad medida de la capa de material de la superficie.5 El uso de la capa superficial de material Grava o revestimientos de superficie del material. Hammond y Robson [B78]. El rango de valores de resistividad de la capa de material de superficie depende de muchos factores. EPRI TR-100863 [B64]. y en algunas zonas por el asentamiento de polvo en el aire. el tamaño y tipo de piedra. Al basar los cálculos en el uso de una capa de material de superficie limpia o grava. por tanto. tamaño.4. Por lo tanto. Las pruebas reportadas por otros constituyen una nueva confirmación de estos beneficios (Elek [B54]. cubriendo la superficie con un material de alta resistividad es muy valiosa en la reducción de las corrientes de choque. el material de superficie sometido a espuma del mar puede tener la resistividad sustancialmente más baja que el material de superficie utilizado en ambientes áridos. Para determinar la resistencia real del suelo. cantidad y tipo de contenido de humedad. limpio o con aletas). La corriente en el caso del césped seco fue del orden de 20 veces el valor de la grava gruesa húmeda. contaminación atmosférica. al limitar el secado de las capas de tierra vegetal durante períodos de tiempo seco prolongado Además. Como se indica en la tabla 7. Una capa de 0. como se explica en 7. El valor de esta capa en la reducción de las corrientes de choque no siempre es plenamente efectivo. ácidos o álcalis presentes en el suelo puede afectar considerablemente su resistividad. Las pruebas realizadas por Langer [B96] en Alemania. en comparación con el suelo húmedo natural. etc. pruebas como las descritas en la norma IEEE 81-1983 se debe realizar en el sitio.08-0. En la tabla 7 se dan los valores típicos de resistividad para diferentes tipos de material de superficie medidas por varias partes diferentes en las distintas regiones de los Estados Unidos (Abledu y Laird [B2]. pueden afectar al valor de la resistividad. Por lo tanto.1-0. si no se retira cuidadosamente. Thompson [B145] [B146]). Figura 18 no debe ser utilizado para el cálculo. comparando corrientes del cuerpo al tocar un hidrante mientras que se coloca sobre grava gruesa mojada de 6000 Ω · m de resistividad con las corrientes del cuerpo mientras está parado en césped seco. algunos de los cuales son los tipos de piedra. .02–0.05-0. 45 Ω·m) 10 000 5000 8000 (agua subterránea. similar a la gravilla Granito lavado #57 (0.05 m) (Georgia) Granito lavado #3 (2–4 in) (0.5 )× 106 106 (2. 13. lo que lleva al menos a algunas ideas en cuanto a la gama de la resistividad en el sitio.1 m) (Georgia) Piedra caliza lavada Tamaño desconocido (Michigan) Granito lavado.5 in (0. 45 Ω·m) 1200 (agua de lluvia.región determinada.5 a 4.02 m) (Carolina del Norte) Asfalto Concreto (2 a 30) × 106 1 × 106 a 1 × 9a 10 cemento secado al horno (Hammond y Robson [B78]). 100 Ω·m) 2000–3000 (agua subterránea.02 m) (1.75 in) (0. Estructura del suelo y selección del modelo de suelo 13. La tabulación de Rüdenberg [B125] tiene la ventaja de la simplicidad extrema.75 in (0. Simples muestras de ensayo y otras investigaciones geológicas a menudo proporcionan información útil sobre la presencia de varias capas y la naturaleza del material del suelo.04 m) con aletas (Georgia) Granito de 0.025 m) con aletas (California) Granito lavado #4 (1 -2 in) (0. Tabla 7. 100 Ω·m) 10 000 (agua de lluvia. Las pruebas se deben realizar para determinar la resistencia de la piedra normalmente adquirida para la utilidad. 100 W) 6513 (10 minutos después de drenaje del agua 45 m Ω) 5000 (agua de lluvia.UU.1 Investigación de la estructura del suelo Las investigaciones de resistividad de un área de la subestación son esenciales para determinar tanto la composición del suelo general como el grado de homogeneidad. similar a la grava de 0. Los valores para hormigón curado al aire puede ser mucho menor debido a contenido de humedad.0250.75 –1 in (0. 45 Ω·m) 10 000 a 6 × 106 21 a 100 Granito triturado de 1. 13.resistividades típicas de materiales de superficie Descripción del material de superficie (estado EE. Unos datos más detallados están disponibles en los manuales de ingeniería y publicaciones (por ejemplo.2 Clasificación de los suelos y rango de resistividad Una serie de tablas existen en la literatura que muestran los rangos de resistividad de varios suelos y rocas. donde se encuentra) Granito triturado con aletas (Carolina del Norte) Resistividad de la muestra Ω · m Seco 140 × 106 4000 — # 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 a Húmedo 1300 (agua subterránea.6 a 3) × 7 × 106 2 × 106 40 × 106 190 × 106 Granito lavado. Véase la tabla 8. . Sunde [B130] y Wenner [B150]). a distancias iguales. como se muestra en la Figura 19. La tensión entre los dos electrodos interiores (potencial) medida se divide entre la corriente entre los dos electrodos exteriores (corriente) para dar un valor de la resistencia R. Tabla 8.Método Wenner de cuatro puntas .13. a menudo es conveniente utilizar una gama más amplia de separación de la sonda con el fin de obtener una estimación de la resistividad de las capas más profundas. Un número de técnicas de medición se describen en detalle en el IEEE Std 81-1983. Figura 19 . cada una con diferente resistividad. Esto es posible porque. a una profundidad b. especialmente si algunas lecturas son tan altas como para sugerir un problema de seguridad posible. por lo general estos cambios son más graduales. A menudo.3 Mediciones de Resistividad Estimaciones basadas en la clasificación del suelo producen sólo una aproximación de la resistividad. pero en comparación con las verticales. Pruebas reales de resistividad por lo tanto son imprescindibles.Rango de Resistividad de la tierra Tipo de tierra Suelo Orgánico Húmedo Suelo Húmedo Suelo Seco Roca de Fondo Resistividad Media (Ω · m) 10 102 103 104 Si la resistividad varía sensiblemente con la profundidad. Normalmente. es la técnica más utilizada. Éstas deben hacerse en un número de plazas dentro del sitio. como la separación de la sonda es mayor. independientemente de lo mucho que la ruta de la corriente se distorsione debido a las condiciones variables del suelo (Manual de Pruebas de Resistencia de Tierra [B102]). tanto en las direcciones vertical y horizontal. Sitios en subestaciones donde el suelo posea resistividad uniforme en todo el territorio y hasta una profundidad considerable rara vez se encuentran. El método Wenner de cuatro puntas. los cambios laterales también ocurren. Las pruebas de suelo de resistividad deben hacerse para determinar si hay variaciones importantes de la resistividad con la profundidad. la fuente de corriente de prueba penetra más y en zonas más distantes. cuatro sondas se entierran en la tierra a lo largo de una línea recta. El número de lecturas que se tomen deben ser mayores cuando las variaciones son grandes. hay varias capas. En resumen. Las ecuaciones (44) y (45) por lo tanto se puede utilizar para determinar la resistividad aparente ρ a en una profundidad a. el Lr profundidad de la varilla impulsada situada en el suelo a probar es variada.Entonces. Las otras dos barras. ρa R a b es la resistividad aparente del suelo en Ω · m es la resistencia medida en Ω es la distancia entre los electrodos adyacentes en m es la profundidad de los electrodos en m Si b es pequeño comparado con a. La resistividad aparente está dada por (46) Donde Lr d es la longitud de la varilla en m es el diámetro de la varilla en m . Purdy [B121]). Este método proporciona una mayor sensibilidad para el espaciamiento de la sonda grande. como es el caso de las sondas que penetran el suelo a poca distancia. son impulsadas a una profundidad de poca profundidad en una línea recta. Schlumburger Palmer-[B119] es una versión modificada del método de Wenner. Otro método para medir la resistencia del suelo. conocidas como barras de referencia. mientras que la corriente penetra más profunda en el suelo para espaciamientos mas grandes. suele ser una aproximación razonable suponer que la resistividad medida para un espaciamiento de sonda dado representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad cuando el contraste de resistividad entre las capas no son excesivas. como se muestra en la Figura 20 y se describe en IEEE Std 81-1983. la barra de tensión puede ser colocada en el lado opuesto de la barra de corriente. como se describe en IEEE Std 81-1983. es el método de la varilla impulsada basada en los tres puntos o método de caída de potencial (Blattner [B11] [B12]. la ecuación (44) se puede reducir a (45) La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para las separaciones pequeñas de las sondas. (44) Donde. Por lo tanto. Como alternativa. La ubicación de la varilla de tensión es muy variada entre la varilla y la varilla de prueba de corriente. En este método. es la capacidad para determinar hasta qué profundidad las varillas de tierra se puede conducir. No se necesita equipo pesado para realizar la prueba de cuatro pines. A menudo. arcilla dura. Sin embargo. Una desventaja del método de la varilla impulsada es que cuando la varilla de prueba es hundida profundamente en el suelo. Saber la profundidad y si las barras se pueden conducir en la tierra puede ahorrar la necesidad de rediseñar la red de tierra. Hay una serie de razones para esta popularidad. Los resultados no se ven muy afectados por la resistencia de las clavijas de prueba o los agujeros creados en la conducción de las clavijas de prueba en el suelo Una ventaja del método de la barra impulsada. Este método obtiene los datos de resistividad del suelo de las capas más profundas sin tener que manejar las puntas de prueba para esas capas. Las pruebas realizadas por la Universidad del estado de Ohio [B62] han demostrado que cualquiera de los dos métodos sea el método de Wenner o la varilla impulsada puede proporcionar la información necesaria para desarrollar un modelo de suelo. se hace prácticamente imposible manejar la barra de cualquier examen que se traduce en la escasez de datos. etc.. Figura 20-Diagrama del circuito durante el método de varilla impulsada o tres puntos El método Wenner es el método más popular en uso. tales como roca. Esta técnica puede utilizarse eficazmente en los casos en que la varilla de prueba no puede ser conducida a profundidad. Una malla de tierra diseñada con estos valores de resistividad en el suelo más altos puede ser innecesariamente conservador. se advierte al usuario a revisar las limitaciones prácticas de esta técnica antes de usarla. Una técnica para la predicción de la resistencia del suelo a una profundidad de 10 veces la profundidad del valor de resistividad conocida ha sido desarrollado por Blattner [B11]. El método varilla impulsada presenta una . a causa de capas duras en el suelo.Un argumento de la medida del valor de resistividad aparente ρ a frente a la longitud de la varilla Lr proporciona una ayuda visual para determinar las variaciones de resistividad de la tierra con la profundidad. por lo general pierde el contacto con el suelo debido a la vibración y los acopladores de mayor diámetro que resulta en más altos valores de medición de resistencia. aunque no necesariamente relacionada con las mediciones. incertidumbre en el valor de la resistencia. Los modelos más usados del suelo son el modelo de resistividad del suelo uniforme y el modelo de suelo de dos capas. El objetivo fundamental es obtener un modelo de suelo que sea una buena aproximación de la tierra real.4 Interpretación de las mediciones de Resistividad del Suelo La interpretación de la resistividad aparente obtenida en el campo es quizás la parte más difícil del programa de medición. Webb. Los registros de medición de Resistividad deben incluir los datos de temperatura y la información sobre el contenido de humedad del suelo en el momento de la medición. Roman [B123]. Endrenyi [B56]. La regla del 62% sólo es válido para los electrodos de gran separación y suelo uniforme. especialmente si hay razones para creer que el suelo en toda la zona es razonablemente homogénea 13. La interpretación de las mediciones de resistividad del suelo se puede realizar de forma manual o mediante el uso de técnicas de análisis informático descrito en Blattner y Dawalibi [B13]. La resistividad del suelo varía lateralmente y con respecto a la profundidad. Lazzara y Barbeito [B98]. Esto es particularmente cierto para los objetos grandes o largos. Aunque no es concluyente en cuanto a las condiciones dentro de la cuadrícula. Blattner [B11] [B12]. En los suelos no uniforme. EPRI EL -3982 [B62]. Papelexopoulos. las mediciones de resistividad del suelo es probable que sean significativamente distorsionado en una zona donde los conductores de la red ya se han instalado. Por esta razón. en función de la estratificación del suelo. Si la parte plana de la curva se utiliza para determinar la resistencia de la varilla de prueba. Nahman y Salamon [B112 ]. Dos modelos de capas del suelo son a menudo una buena aproximación de las estructuras del suelo mientras que los modelos multicapas de suelo puede ser utilizado para las condiciones del suelo más complejas. Meliopoulos y Papelexopoulos [B103]. y Blattner [B105]. excepto para las mediciones de poco fondo en o cerca del centro de un rectángulo de malla muy grande. En tales casos. unas pocas lecturas aproximadas pudieron tomarse a una corta distancia fuera de la cuadrícula. Los objetos conductores enterrados en contacto con el suelo puede invalidar lecturas realizadas por los métodos descritos si están lo suficientemente cerca como para alterar el patrón de prueba de flujo de corriente. Meliopoulos. Todos los datos disponibles sobre los objetos conductores enterrados conocidos en el área estudiada también deberán ser registrados. Las variaciones estacionales pueden ocurrir en la resistividad del suelo debido a las diversas condiciones climáticas como se describe en EPRI TR-100863 [B64]. EPRI TR-100622 [B63]. con las sondas colocadas de manera que minimice el efecto de la cuadrícula en el patrón de flujo de corriente. esta porción plana no puede dar la resistencia correcta en el suelo no uniformes. . esta suposición puede afectar el resultado de las lecturas. y Tagg [B135]. Hay que reconocer que el modelo de suelo es sólo una aproximación de las condiciones del suelo real y que la pareja perfecta es poco probable. Moore [B110]. estas lecturas pueden ser utilizados por aproximación. y la parte plana puede incluso no ser menos que la prueba obtenida y la separación de la barra actual es muy grande (Dawalibi y Mukhedkar [B39] [B44]). EPRI EL-2699 [B60]. Porque las ecuaciones de tensión de paso y de contacto de esta guía se basan en modelos .. con un valor promedio de resistividad se puede utilizar como una primera aproximación o para establecer el orden de las magnitudes. IEEE Curso Tutorial del 86 [B87]). el modelo de suelo uniforme es poco probable que produzcan resultados exactos. un modelo de suelo diferentes. pero cuando el contraste entre la capa de resistividades diferentes es moderado. un modelo de dos capas se puede aproximar mediante inspección visual de una gráfica de la resistividad aparente función de la profundidad a partir de mediciones obtenidas por el método de la varilla impulsada o resistividad aparente versus el espaciamiento entre sondas del método de Wenner (Blattner [B10] [B12].4. Los programas de computadoras a disposición de la industria también pueden ser utilizados para obtener un modelo de suelo de dos capas o modelos de múltiples capas de suelo (Dawalibi y Barbeito [B38]. como un modelo de múltiples capas. Una representación más exacta de las condiciones del suelo real se puede obtener mediante el uso de un modelo de dos capas. EPRI TR-100622 [B63]. Ma. puede ser necesaria como se describe en Dawalibi..Un modelo de suelo uniforme debe usarse sólo cuando hay una variación moderada de la resistividad aparente. En algunos casos. La resistividad del suelo aproximada uniforme puede obtenerse mediante la adopción de una media aritmética de los datos de resistividad aparente medidos como se muestra en la ecuación (47). En condiciones de suelo homogéneo. (47) Donde ρa(1)+ ρa(2) +ρa(3)+. y Southey [B46] y Dawalibi y Barbeito] B38 [. En estos casos. el modelo de suelo uniforme podrá ser razonablemente exacto. que rara vez ocurren en la práctica. Existen varias técnicas para determinar un modelo equivalente de dos capas de resistividad aparente obtenida de las pruebas de campo.+ ρa(n) Son los datos medidos de resistividad aparente obtenida con los diferentes métodos en Ω · m n el número total de mediciones La mayoría de los suelos no cumplen los criterios de la Ecuación (47). Orellara y Mooney [B117]).1 Suposición del Suelo Uniforme Un modelo de suelo uniforme puede ser usado en lugar del modelo de múltiples capas siempre que las herramientas de cálculo de dos capas o de múltiples capas no estén disponibles. Es difícil desarrollar un modelo de suelo uniforme cuando la resistividad de un suelo varía de manera significativa. el límite superior obligado del error sobre todos los parámetros de conexión a tierra de referencia es difícil de estimar en general. Si hay una gran variación de la resistividad aparente medida. Por desgracia. 13. EPRI EL-2699 [B60]. El modelo consta de una capa superior de profundidad finita y de resistividad diferente y de una capa inferior de un espesor infinito. En algunos casos la variación de la resistividad del suelo puede presentar mínimos y máximos de tal manera que un modelo equivalente de dos capas no puede dar un modelo preciso. 13. Estos modelos aproximados consistieron en un modelo de dos capas y dos modelos de suelo uniforme generados por computador (EPRI TR-100622 [B63]). y Ford [B69]. Boggs. Por ejemplo. EPRI TR-100622 [B63]. la ecuación (48) se debe utilizar con precaución. en el caso del modelo de dos capas. Por ejemplo. Véase el Anexo E para más detalles de esta investigación. el uso de la ecuación (48) no se recomienda para una malla de tierra sin varillas de tierra (Dawalibi. Dawalibi. y Thapar y Gerez [b140] puede proporcionar información adicional sobre la interpretación de los datos medidos del suelo y la influencia de múltiples capas. Hay una serie de suposiciones hechas en el estudio anterior. y los modelos de suelo uniforme sobre los parámetros de conexión a tierra.de suelo uniforme.2 × 76. a menudo es posible a partir de lecturas de . las varillas de tierra. Los modelos de suelo uniformes se determinan a partir de datos medidos de resistividad aparente utilizando las ecuaciones (47) y (48). Ma. los parámetros de conexión a tierra utilizados para calcular el modelo de dos capas se compararon con la calculada según los modelos del suelo uniforme. se hizo un intento de desarrollar una directriz a la aproximación de un suelo no uniforme a un suelo uniforme. la resistencia de la malla y las tensiones de paso y contacto para una malla de 76. Los datos sobre el suelo de cada lugar se aproximan a tres modelos diferentes de suelo equivalentes.2 Supuestos suelos no uniforme Otro enfoque para las situaciones en que la resistividad varía notablemente con la profundidad que sugiere Sunde [B130]. Los parámetros de conexión a tierra calcula utilizando el modelo de suelo uniforme de la ecuación (50) es equiparable con la calculada utilizando el modelo de dos capas. si la resistividad del suelo uniforme fijado utilizando la ecuación (48) se emplea para diseñar una malla de tierra. La profundidad de las barras de tierra dependía del modelo de suelo utilizado. Como resultado.4. En el siguiente paso. Por ejemplo. Uno de estos métodos incluye el uso de la media de la capa superior de resistividad aparente para los cálculos de tensión de toque y de paso y el promedio de la capa inferior de resistividad aparente para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra del sistema. y [Southey B47]). Fujimoto. en algunos de los libros sobre la prospección geofísica a la que él se refiere. ρ a(min) es el valor máximo de resistividad aparente (a partir de datos medidos) en es el valor mínimo de resistividad aparente (a partir de datos medidos) en Ω · m. penetraron en la capa inferior. Además. las varas de tierra debe por lo menos llegar a la profundidad donde la resistividad medida se corresponde con el valor calculado de ρ a (AV2) . Ma.2 m (250 x 250 pies) con un total de 64 barras de tierra distribuidas de manera uniforme se calculan utilizando un programa informático (EPRI TR-100622 [B63]). Datos de resistividad aparente del suelo se obtuvieron utilizando el método de WENNER en varias ubicaciones geográficas diferentes. y. dos capas. (48) Donde ρ a(max) Ω · m. Hay varios métodos sugeridos por diferentes autores a la aproximación de un suelo no uniforme con un modelo de suelo uniforme. Por último. Dick. y Southey [B46]. Dawalibi y Barbeito [B38]. y Sunde [B130]. Estos documentos pueden proporcionar al diseñador más información acerca de la interpretación de los suelos y el impacto de múltiples capas. La gráfica de la figura 21. en Ω · m es la resistividad de la capa de suelo más bajo. Dawalibi y Barbeito [B38]. El estándar IEEE 81-1983 proporciona métodos para la determinación las resistividades equivalente de la capa superior e inferior de suelo y la altura de la capa superior de dicho modelo. se define por la ecuación (49). y los modelos uniforme (Dawalibi. dos capas. . 13.campo tomadas con una amplia gama de sondas espaciadas para deducir una estratificación de la tierra en dos o más capas de espesor adecuado que dé cuenta de las variaciones reales de prueba (Moore [B110]). la representación de un electrodo a tierra basado en un modelo equivalente de tierra de dos capas es suficiente para el diseño de un sistema de puesta a tierra segura. Ma. Tagg [B136].4. en la mayoría de los casos. El factor de reflexión. (49) Donde ρ1 ρ2 es la resistividad de la capa superior del suelo. se reproduce en el gráfico 2. El cambio brusco de la resistividad en los límites de cada capa de suelo se puede describir por medio de un factor de reflexión.2. Endrenyi [B56]. Hay otros métodos sugeridos por los autores que incluyen la determinación de un modelo de dos capas y el uso de la resistividad de la capa superior para los cálculos de la tensión de paso y de toque. En el método Sunde. rara vez se justifica económicamente o es técnicamente viable modelar todas estas variaciones.2 Modelo de suelo de dos capas por el método gráfico Un modelo de suelo de dos capas se puede aproximar utilizando métodos gráficos descritos en Blattner y Dawalibi] [B13.2.1 Modelo de suelo de dos capas (general) Un modelo de dos capas de suelo puede ser representado por una capa superior de suelo de una profundidad finita por encima de una capa inferior de profundidad infinita. y Southey [B46]. 13. la gráfica que se muestra en la Figura 21 se utiliza para aproximar un modelo de suelo de dos capas. la resistividad inferior para la resistencia y métodos que modifican las ecuaciones presentadas en la guía para ser utilizado en modelos de suelo de dos capas. en Ω · m Mientras que la representación más exacta de un sistema de puesta a tierra sin duda debe ser basada en las variaciones reales de la resistividad del suelo actual en el sitio de la subestación. El método gráfico Sunde se describe en los párrafos siguientes. con anotaciones revisadas para que coincida con los símbolos utilizados en esta guía. K. Sin embargo.6 de Sunde [B130]. Thapar y [Gerez b140]). que se basa en los datos de prueba del método Wenner.4. Roman] [B123. Utilizando los datos del suelo tipo1en la tabla E. Calcule ρ a : ρ a = 2ρ 1 = 2 (100) = 200. Suponiendo ρ 1 = 100 Ω · m y ρ 2 = 300 Ω · m. Lea a/h = 2. ρ 2 /ρ 1 = 300/100 = 3. Ver Figura 23 para un ejemplo. Dibuje la curva de la Figura 21. en (d) por ρ 1 . que coincida cerca. g) Lea la correspondiente separación de la sonda en la gráfica de resistividad aparente trazada en a).1 m (20 pies) usando el EPRI TR-100622] [B63].7 = 7. . Amplíe el gráfico de resistividad aparente en ambos extremos para obtener estos valores de resistividad extremos si los datos de campo son insuficientes. la profundidad del nivel superior. f) Calcule ρ a multiplicando el valor seleccionado. b) Estimación de ρ 1 y ρ 2 del gráfico de trazado en a).2 del anexo E.0 m o 23 pies. Elija ρ 1 = 100 Ω · m. usando la adecuada separación de la sonda. ρ 2 = 300 Ω · m. ρ 1 y ρ 2 Ambos se pueden determinar mediante inspección visual. h) Calcule h. el siguiente ejemplo ilustra el método gráfico Sunde: a) b) c) d) e) f) g) h) Grafique la figura 22. e) Lea el valor correspondiente de a/h en el eje-x. Sólo h se obtiene por el método gráfico de Sunde. d) Seleccione el valor en el eje Y de ρ a /ρ 1 dentro de la región con pendiente de la curva adecuada de ρ 2 /ρ 1 de la figura 21. un grafico de la resistividad vs distancia puede ser dibujado. h = (a / (a / h)) = 19/2. o interpole y dibuje una nueva curva en el gráfico. de la siguiente manera: a) Trazar una curva de resistividad aparente ρ a en el eje Y vs el espaciado de las puntas en el eje X. Vea la figura 22. a. Esto se compara favorablemente con el 6. Calcule h. c) Determinar ρ 2 /ρ1 y seleccione una curva en el gráfico Sunde en la Figura 21. el ρ a que corresponde a la distancia más pequeña es ρ 1 y para una separación más grande es ρ 2 . ρ a /ρ 1 . Lea a = 19 en la curva de resistividad aparente de la figura 24 para ρ a = 200.7 en la figura 23 para ρ a /ρ 1 = 2.Los parámetros ρ 1 y ρ 2 se obtienen mediante la inspección de las mediciones de resistividad (ver el ejemplo de la Figura 22). Seleccione ρ a /ρ 1 = 2. Figura 21 método gráfico de Sunde . tabla E2 .Figura 22-Resistividad grafica de datos de un suelo tipo 1. Figura 23-Ejemplo de método gráfico de Sunde . Figura 24 Ejemplo para determinar "a" de la curva de resistividad aparente . la densidad de corriente es más uniforme en todos los conductores del sistema de puesta a tierra. Un sistema de puesta a tierra en un ambiente del suelo de dos capas se comporta diferente en comparación con el mismo sistema en el suelo uniforme. En suelos de dos capas con ρ 1 mayor que ρ 2 (El suelo en la capa superior es más resistente que la capa inferior. para los valores positivos de K. incremento del potencial de tierra. Pudiera parecer que tal capa de alta resistividad. Además. para un sistema de tierra en suelo uniforme o de dos capas con ρ 1 menor que ρ 2 (Resistividad de la capa superior del suelo menor que la resistividad de la capa más baja.4. Los estudios realizados por Thapar y bruta [B141] y al-Dawalibi et. Esta división se discute actualmente en la Cláusula 15. voltajes de paso y tacto considerablemente más altos se pueden permitir si un material superficial de alta resistividad está presente. El material de superficie se utiliza para aumentar la resistencia de contacto entre el pie de una persona y la superficie terrestre.13. . Por el contrario. Esto se debe a la tendencia de la corriente de malla de ir hacia abajo a la capa de menor resistencia. Una relación similar se da con las tensiones de toque y paso producidas en la superficie de una tierra de dos capas en comparación con la de la superficie de suelo uniforme. las tensiones de toque y paso son generalmente más altas que en el suelo uniforme. un factor de reflexión negativa).13 b) Otros parámetros. Las corrientes actuales en el sistema de puesta a tierra cambiará de un caso a otro como una función de ρ 1 y ρ 2 . el rendimiento del electrodo se aproxima al rendimiento del electrodo en el mismo suelo uniforme de resistividad ρ 1 . Para valores negativos de K. la resistencia es menor que la del mismo sistema de tierra en el suelo uniforme con la resistividad ρ 1 . 13 Como se discutió en 12. teniendo la altura de la capa h. En general. a) Las variaciones en la resistividad del suelo tienen una influencia considerable en el rendimiento de la mayoría de los sistemas de puesta a tierra.3 Comparación del modelo de suelo uniforme y el de dos capas en los sistemas de puesta a tierra. para los valores negativos de K (capa superior más resistente que la capa inferior). hay que reconocer que las características anteriores se basan en la premisa de una fuente de falla de corriente constante. para valores positivos de K. podría empeorar tanto la tensión de toque como la de paso. y tensiones de superficie de paso y de toque. Así. como la altura de la capa superior h. Por lo tanto. es una práctica común tener una capa delgada de material de superficie superponiendo el área de tierra de una subestación. para una corriente de cuerpo máxima determinada permisible.5.2. Generalmente. que afectan tanto al valor de resistencia de tierra. Se ha encontrado que el enfoque del modelo de dos capas es mucho más preciso que el modelo de suelo uniforme. también afectan a las diferencias en el rendimiento de los electrodos de tierra en un entorno en las condiciones de dos capas y de suelo uniforme. lo que refleja los cambios locales en relación con todas las demás caminos de corrientes de fallas a tierra predeterminados por la localización de las fallas. las tensiones de toque y paso suelen ser inferiores a las tensiones del sistema de puesta a tierra en el mismo suelo uniforme de resistividad ρ 1 . La regla general es que cuando la altura de la capa superior h es significativamente mayor que las dimensiones propias del electrodo. un factor de reflexión positiva). en lugar de hacia arriba y hacia afuera a la capa superior más resistente. mucho menor que la profundidad del sistema de puesta a tierra. c) Además. Sin embargo. la resistencia es generalmente más alto que en el suelo uniforme y resistividad ρ 1 . este no es el caso. la densidad de corriente es mayor en los conductores en los bordes exteriores de la rejilla de puesta a tierra. [B41] [B43] [B48] proporcionan una gran cantidad de información sobre este tema. en ciertos casos algunas de las hipótesis dadas anteriormente no siempre son válidas. Heppe [B80]. Las ecuaciones que rigen el funcionamiento de un sistema de puesta a tierra enterrado en un suelo de varias capas se puede obtener mediante la resolución de ecuaciones de Laplace para una fuente puntual de corriente. que es generalmente conocida en la etapa inicial de diseño. 14. 13. para los diseños afecten a una superficie grande de tierra. o cuando la resistividad del suelo es claramente muy uniforme. EPRI TR-100622 [B63]. etc. La formulación exacta de las ecuaciones que incluyen estos efectos se da en Dawalibi y Mukhedkar [B42]. Un modelo de suelo de varias capas pueden incluir varias capas horizontales o capas verticales.. dependiendo de las condiciones locales. EPRI EL-2699 [B60]. Condiciones de suelos altamente no uniforme se pueden encontrar.1 Requisitos Habituales Un sistema de puesta a tierra buena ofrece una baja resistencia a la tierra remota con el fin de minimizar el GPR. Evaluación de la Resistencia de Tierra 14. 14. mallas de formas extrañas. Las técnicas para interpretar la resistividad del suelo altamente no uniforme requieren el uso de programas informáticos o métodos gráficos (Dawalibi. . lo que da los mismos resultados.Para aplicaciones de diseño con inclusión de arreglos de puesta a tierra relativamente simples de electrodos enterrados en un suelo bastante uniforme. La resistencia depende principalmente de la zona a ser ocupada por el sistema de tierra. El anexo F proporciona un análisis paramétrico de configuraciones diferentes de red de modelos uniforme y de suelo de dos capas. Como una primera aproximación.2. y Southey [B46]. si un modelo equivalente de dos capas del suelo no es factible. Orellara y [Mooney B117]). un valor mínimo de resistencia del sistema de puesta a tierra de la subestación en suelo uniforme se puede estimar por medio de la fórmula de una placa metálica circular de cero profundidad.4. o por el método de las imágenes. Sin embargo. y Sunde [B130]. Ma. Dawalibi y [Barbeito B38]. Para la mayoría de las grandes subestaciones de transmisión y otras. los métodos aproximados previstos en otra parte de la guía serán adecuados para la obtención de un diseño realista con márgenes de seguridad adecuados.2 Simplificado de Cálculos La estimación de la resistencia total a la tierra remota es uno de los primeros pasos para determinar el tamaño y la disposición básica de un sistema de puesta a tierra. el ingeniero responsable del diseño deberá decidir si métodos más sofisticados son necesarios (Zaborszky [b152]).4 Modelo de Suelo Multicapa. la resistencia de tierra es generalmente cerca de 1 Ω o menos. Estas condiciones de suelos pueden requerir el uso de técnicas de modelado de múltiples capas. El uso de cualquiera de los métodos para determinar el potencial de tierra causado por los resultados de una fuente de corriente puntual en una serie infinita de términos que representan las contribuciones de cada imagen como consecuencia de la fuente puntual de corriente. el rango aceptable por lo general es de 1 a 5 Ω. En subestaciones de distribución más pequeñas. El segundo término reconoce el hecho de que la resistencia de cualquier sistema de puesta a tierra real que consiste en un número de conductores es mayor que la de una plancha metálica sólida. Sverak [B132] amplió la ecuación (51) para tener en cuenta el efecto de profundidad de la red (52) Donde h es la profundidad de la red en m Para redes sin barras de tierra. ya que las tomas de tierra por lo general son más eficaces en por unidad de longitud de base. cuando la condición de una placa sólida es alcanzada. un combinado de longitud de los conductores horizontales y varillas de tierra dará lugar a una estimación ligeramente conservadora de la L T . Véase la tabla 9. que se describe en 14. . un límite superior de la resistencia de tierra de la subestación se puede obtener mediante la adición de un segundo término en la fórmula anterior. según lo propuesto por Laurent [B97] y Niemann [B115] (51) Donde LT es la longitud total de conductores enterrados en m En el caso de una combinación de varilla de rejilla en suelo uniforme. La siguiente tabulación de Kinyon [B93] ofrece una idea de cómo la resistencia calculada y la real medida comparadas en cinco diferentes subestaciones.(50) Donde Rg ρ A es la resistencia de tierra de la subestación en Ω es la resistividad del suelo en Ω · m es el área ocupada por la red de terreno en m2 A continuación.3. La diferencia se reducirá con el aumento de la longitud de los conductores enterrados y se acercará a 0 para un L T infinito. La ecuación (51) se utilizó para calcular la resistencia de la red. esta fórmula ha sido probada para producir resultados que son prácticamente idénticos a los obtenidos con la ecuación (56) de Schwarz [B128]. R 1 . barras. y una esfera incrustada en la tierra para representar las varillas..0 61 479 3000 0.21 Largo Barra (ft) (calculada Ω) Rg (medida Ω) Rg Un valor medio de todos los valores de resistividad medidos con frecuencia es sustituido por la resistividad del suelo uniforme en la ecuación (51).7 39. R 2 . y un grupo de barras de tierra. porque Kinyon [B93] baso sus cálculos en el ". 14.0 Sub 2 greda arenosa 800 60 939 9500 4. R 1 . R g . valor promedio más bajo de la resistividad medida en el sitio. la ecuación (51) por lo general produce una resistencia que es mayor que el valor que resultaría de una medición directa. Resistencia a tierra de los conductores de la malla (54) .10 Sub 3 arena y barro 200 18 849 1775 2. " Los lectores son referidos a Kinyon [B93] para el debate sobre su elección de valores de resistividad utilizadas en el cuadro 9. Schwarz utiliza la siguiente fórmula introducida por Sunde [B130] y Rüdenberg [B127] para combinar la resistencia de la red.19 0. y la resistencia mutua para calcular la resistencia total del sistema. Los valores calculados y medidos de resistencia que se muestran en el cuadro Tabla 9 no reflejan esta tendencia. Si este promedio se usa. de una red que consiste en conductores entrelazados..65 Sub 4 arena y grava 1300 15 759 3820 16.97 4.15 18.Típicas Resistencias Red Parámetro textura del suelo Resistividad (Ω·m) Área Malla (ft2) Sub 1 arena y grava 2000 15 159 3120 25. También presentó una ecuación para la resistencia de tierra R m mutua entre la malla y las varillas.3 Ecuaciones de Schwarz Schwarz [B128] desarrollo una serie de ecuaciones para determinar la resistencia total de un sistema de puesta a tierra en un suelo homogéneo consistente de electrodos en horizontal (la malla) y vertical (barras).Tabla 9 .55 3. Las ecuaciones ampliadas de Schwarz presentan a un conductor recto horizontal que representar la resistencia de tierra. R 2 en Ω. (53) Donde R1 resistencia a tierra de los conductores de la malla en Ω R2 resistencia a tierra de todas las barras de tierra en Ω Rm resistencia mutua entre el grupo de conductores de la red.20 Sub 5 suelo y barro 28. Desde que fueron publicadas en 1954. ó a' es a para el conductor en la superficie de la tierra en m 2a es el diámetro del conductor en m A es el área cubierta por los conductores en m2 k1.Donde ρ es la resistividad del suelo en Ω · m Lc es la longitud total de todos los conductores conectados a la red en m a' es para conductores enterrados una profundidad h en m. pero más alta que el de una combinación en paralelo. Schwarz comparo los resultados de sus ecuaciones con los de los trabajos teóricos anteriormente publicados y el modelo de pruebas para comprobar la exactitud de ellas. . que proporciona las ecuaciones de las constantes k1 y k2 y además ampliado para incluir el uso de ecuaciones con dos capas del suelo (Naham y Salamon [B113] [B114]). las ecuaciones de Schwarz han sido modificados por Kercel [B92]. k2 son los coeficientes [véase la Figura 25 (a) y (b)] Resistencia a tierra de las barras (55) Donde Lr es la longitud de cada varilla en m 2b es el diámetro de la varilla en m nR número de barras situado en la zona A Resistencia de tierra mutua entre la malla y las barras (56) La resistencia combinada a tierra de la malla y las barras será menor que la resistencia de tierra de cada componente por separado. 68 CURVA C .15x + 5.Para Profundidad h = 1/6√ Y C = -0.13 Relación entre longitud y ancho CURVA A .04x + 1.05x + 1.04x + 1.50 CURVA B .Para Profundidad h = 1/10√ Y B = 0.Para Profundidad h = 0 Y A = 1.Para Profundidad h = 1/6√ Y C = -0.41 CURVA B .40 Figura 25-Coeficientes k1 y k2 de la fórmula de Schwarz: (a) coeficiente k1.05x + 4. (b) Coeficiente k2 .Para Profundidad h = 1/10√ Y B = -0.10x + 4.20 CURVA C .Para Profundidad h = 0 Y A = -0.Relación entre longitud y ancho CURVA A . se hincha hasta 13 veces su volumen en seco y se adherirá a cualquier superficie que toca. No es corrosivo. Si se expone a la luz solar directa. Los agujeros en el tubo permiten que la humedad entre. Los resultados de baja resistividad principalmente de un proceso electrolítico entre el agua. magnesio y sulfatos de cobre. No puede funcionar bien en un ambiente muy seco. relleno de tierra. que se formó hace unos años por la acción volcánica. previniendo el proceso de secado de las partes más profundas. una arcilla natural que contiene los minerales montmorillionite. para incrementar la conductividad del suelo que rodea un electrodo. Este electrolito no se filtrara gradualmente. ya que puede retroceder ante el electrodo. con el tratamiento del suelo.4 Nota sobre la Resistencia a Tierra de Electrodos Primarios En general. La cubierta interna de los suelos más cercanos al electrodo suele estar compuesto por el grueso de la resistencia a tierra del electrodo a la tierra remota. las sales se disuelvan. En los arreglos más complejos que implica conductores entrecruzados y un gran número de barras en la misma zona. b) Usando bentonita. algunos con una resistencia de menos de 0. Na 2 O (oxido de sodio). CaO (Oxido de Calcio – Cal Viva). tiende a aislarse. Además. MgO (Oxido de magnesio). actúa como agente de secado de sacar la humedad disponible en el medio ambiente circundante. aumentando la resistencia del electrodo (Jones [B90]).5 Tratamiento del suelo para reducir la resistividad A menudo es imposible lograr la deseada reducción de la resistencia de tierra mediante la adición de más conductores a la cuadrícula o más barras de tierra. La naturaleza higroscópica de la bentonita aprovechará el agua disponible para mantener su condición de instalación. 14.12 Ω · m (alrededor del 5% de la resistividad de la bentonita). K 2 O (oxido de potasio). Una vez instalada. Estos electrodos se instalan en un agujero predicho y. o cloruro de calcio. Este fenómeno se utiliza a menudo como una ventaja. La mayoría de los suelos tienen suficiente humedad para que el secado sea una preocupación. la resistencia mutua entre los distintos elementos juega un papel importante. la resistencia a tierra de cualquier electrodo primario depende de la resistividad del suelo y el tamaño y tipo de disposición de todos los conductores individuales que comprende el electrodo a tierra.14. Siempre con una cantidad suficiente de agua. d) Los materiales de mejora de tierra. La Bentonita necesita de agua para obtener y mantener sus características beneficiosas. El estado o las autoridades federales pueden no permitir el uso de este método debido a la lixiviación (lavado o filtrado del suelo) posible a las áreas circundantes. la bentonita se basa en la presencia de humedad en el suelo para mantener sus características. ya que forma parte de la propia arcilla. c) Usando electrodos del tipo químico que consiste en un tubo de cobre lleno de una sal. de la siguiente manera: a) Usando cloruro de sodio. Debido a su carácter higroscópico. el tratamiento con sal debe ser renovada periódicamente. normalmente. y otras sales minerales que se ionizan formando un electrolito fuerte con un pH de 8 a 10. Su contenido de humedad inicial se obtiene en la instalación cuando la mezcla se prepara. y la solución de sales se filtre en el suelo. normalmente se colocan alrededor de la varilla en un agujero predicho o alrededor de los conductores a tierra en . estable y tiene una resistividad de 2. Una solución alternativa es aumentar la eficacia del diámetro del electrodo mediante la modificación del suelo que rodea el electrodo.5 Ω · m y una humedad del 300%. no produce corrosión. produciendo presiones de aproximadamente 35 MPa o el paso de una corriente muy elevada. debajo del cual no se produce corrosión.una zanja. c) El resquebrajamiento del concreto puede ocurrir ya sea debido al fenómeno anterior porque el acero corroído ocupa aproximadamente 2. . este fenómeno a menudo puede ser tanto una ventaja en el diseño como una desventaja. un bloque de concreto se comporta como un medio semiconductor con una resistividad de 30-90 Ω · m. Otros materiales disponibles se mezclan con el suelo en cantidades variables y poco a poco se filtrarán en el suelo circundante.6 Electrodos de Cemento Revestido El concreto. y Mukhedkar [B16]. como tal.01% de la corriente alterna rectificada se convierte en la interfaz entre la barra de acero y el concreto (Rosa. Algunos de estos materiales de mejora son permanentes y no se filtrará ningún producto químico en el suelo. que vaporiza la humedad en el concreto. el carácter semiconductor del cemento proporcionaría una conexión eléctrica. disminuyendo la resistividad del terreno. McCollum. atrae la humedad. La capacidad de corriente de carga de corta duración. la presencia de una pequeña corriente continua puede causar la corrosión del material corrugado. Algunas de las razones son las siguientes: a) Por un lado. A pesar de que la corriente alterna. existe un cierto umbral del potencial DC para la corrosión. siendo higroscópico.4.2 veces su volumen original. no es práctico para sentar las bases para las estructuras donde el interior de acero (barras de refuerzo) no está conectado eléctricamente con el metal de la estructura. 14. Este encierro reduce la resistividad de la parte más crítica del material que rodea el elemento metal en gran parte del mismo modo que un tratamiento químico en el suelo. el I CE . Enterrado en el suelo. Hart y Brown [B107]). Sin embargo. ya sea en forma seca o premezclado. o directamente en la Figura 26. Incluso si se tomo extremo cuidado con la colocación de pernos de anclaje a fin de evitar cualquier contacto directo de metal contra metal. Gervais. aproximadamente el 0. (57) Donde λg Rz ρ Ta 14 es la conductividad térmica de la tierra en W / (m ° C) es la resistencia de tierra del electrodo revestido de concreto en Ω es la resistividad del suelo en Ω · m es la temperatura ambiente en ° C Ollendorff [B116] deja de lado el efecto de enfriamiento de la humedad evaporada en el cálculo de I ∞ . Una serie de pruebas de campo sobre la corriente de carga máxima se reporta en Bogajewski. Esto es de particular interés en los suelos medios y altamente resistentes debido a que un alambre o varilla metálica encajonado en concreto tiene una menor resistencia que un electrodo enterrado directamente en la tierra. de electrodos de concreto-encajonado se puede estimar por medio de la formula de Ollendorff14 para una corriente sostenible indefinidamente I ∞ . Dick y Holliday [B53]. b) Por otro lado. Dawalibi. de aproximadamente 60 V DC. y Miller. y Peters [B124]). ajustada mediante un factor de multiplicación de 1. Afortunadamente. la corriente real debe ser menor que el valor del ICE determinado por la ecuación (57). los electrodos revestidos de cemento pueden utilizarse como electrodos de tierra auxiliares. que contiene una barra de metal de diámetro d. b) La resistencia de tierra del segmento interno de diámetro D C . Gervais. si los daños se han de evitar. Un margen de 20-25% de seguridad es razonable para la mayoría de las aplicaciones prácticas. Fagan y Lee [B65] utilizan la siguiente ecuación para obtener la resistencia de tierra. Obviamente. En general. este último término se obtiene como diferencia entre los valores de resistencia hipotética para una barra en cemento. Este enfoque es generalmente válido para cualquier otro electrodo que tiene una forma diferente. Teniendo en cuenta. si d y D C se introducen en un solo medio de la ecuación de la fórmula de (59). para mayor comodidad . y ρ se sustituye por ρc. que informa sobre los resultados de las amplias pruebas de campo de postes de concreto. R CE-barra . Por lo tanto. y Mukhedkar [B16]. de una barra vertical encajonado en concreto: (58) Donde ρc ρ Lr d DC es la resistividad del concreto en Ω · m es la resistividad del suelo en Ω · m es la longitud de la varilla de tierra en m es el diámetro de la varilla de tierra en m es el diámetro de la cáscara de concreto en m La ecuación (58) puede estar relacionada con la fórmula de uso general para una varilla de tierra de longitud L r y diámetro d.Tv es la temperatura máxima permisible para evitar la evaporación súbita de la humedad en ° C I∞ es la corriente sostenible indefinidamente en A La aplicabilidad de esta fórmula ha sido verificado en Bogajewski. Dawalibi. directamente enterrados en el suelo ρ. de la siguiente manera: (59) Entonces la ecuación (58) puede resolverse asi (60) Representando una combinación de dos resistencias en serie: a) La resistencia de tierra calculada por la ecuación (59) de un cilindro de cemento de diámetro D C . con las debidas precauciones. Figura 26 .Capacidad de Corriente de Carga de Corta Duración de Electrodos de Tierra revestidos de Concreto . Augering un 100-250 mm (4-10 en) el agujero y el rellenado con un material de mejoramiento del suelo en torno a una varilla de tierra es un método útil para evitar el predominio de los electrodos auxiliares para disipar la corriente de falla. R SM R DM SO Si G es la resistencia del electrodo en un medio único en Ω es la resistencia del electrodo en un medio dual en Ω es la superficie de un electrodo que figuran en m2 es el área de la interfaz en m2 es un factor geométrico que caracteriza la forma particular de un electrodo dado Este formulario es adaptable a una variedad de electrodos. se muestra en la Figura 27.(61) (62) Donde. para lo cual la fórmula de Schwarz para un lecho de barras puede fácilmente ser modificado. enterrados en el suelo. Las siguientes recomendaciones deben ser consideradas cuando se utilizan electrodos recubiertos de concreto: a) Conectar pernos de anclaje y talones de ángulo al acero de refuerzo para un contacto fiable metal-metal. . y se supone que estarán rodeado por una concha concéntrica de un material de resistividad diferente a la del suelo. c) Material de mejoramiento de tierra pueden ser utilizados en las zonas de alta resistividad de suelo para reducir la resistencia de puesta a tierra principal. Un posible modelo de este tipo. b) Reducir la corriente debida y las fugas de corriente continua a los niveles permitidos para asegurarse que los electrodos de tierra primaria (Rejilla de puesta a tierra y las barras de tierra) conducirán la mayor parte de la corriente de falla. además de a los símbolos ya mencionados. que no se extiende fuera del área de la subestación. Para rejillas equidistantes.1 Criterios de diseño Como se indica en 4. sin sobrepasar los límites de funcionamiento y equipamiento. entonces las tensiones de paso pueden ser peligrosas. la tensión de la malla será utilizada como la base de este procedimiento de diseño.2 que es posible para los potenciales transferidos superar la GPR de la subestación durante condiciones de falla. el . Estos objetivos son: a) Proporcionar los medios para disipar las corrientes eléctricas en la tierra. hay dos principales objetivos de diseño que deben alcanzarse en cualquier sistema de tierra de la subestación en condiciones normales. de la zona delimitada de la subestación. En cualquier caso. y en el exterior inmediato.16. el cálculo de las tensiones de paso debe compararse con la tensión de paso admisible después de que se ha diseñado la red de forma que cumpla con el criterio de tensión de toque. si la seguridad en la zona de tierra se logra con la ayuda de una alta capa de resistividad de superficie (material de la superficie). Diseño de sistema de puesta a tierra 16. el procedimiento de diseño descrito aquí se basa en garantizar la seguridad de la tensión de paso y de contacto peligroso en el interior.1. b) Para asegurar que una persona en las inmediaciones de las instalaciones en tierra no esté expuesto al peligro de una descarga eléctrica crítica. El procedimiento de diseño descrito en los incisos siguientes está destinado a lograr la seguridad de tensiones de paso y de contacto peligrosos dentro de una subestación. el número y ubicación de las tomas de tierra. La cláusula 17 discute algunos de los métodos utilizados para proteger al personal y equipos de estos potenciales transferidos. Sin embargo. Las tensiones de paso son intrínsecamente menos peligrosas que las tensiones de la malla. Debido a que la tensión de la malla es generalmente la peor posible tensión de toque dentro de la subestación (con exclusión de los potenciales transferidos). Así pues. la tensión de la malla se incrementará a lo largo de la mallas desde el centro hasta la esquina de la red. el espaciamiento de los conductores paralelos. Se señala en el punto 8. así como las condiciones de falla. La tasa de aumento dependerá del tamaño de la grilla. 5. En cualquier caso. pero el área del sistema de tierra. o tiene un espaciado extremadamente no uniforme del conductor.proporción típica de tensión de la malla esquina-esquina 16. o el peor de los casos de la tensión de toque encontrada en cualquier lugar dentro del área de tierra como la base del proceso de diseño. mientras que los parámetros como el diámetro del conductor y el grosor del material de revestimiento tienen menos impacto (Grupo de Trabajo AIEE [B3]. tiene forma de L.1. pero es sólo ligeramente superior a la Em en el centro de la malla. Como se indica en la tabla 11. Dawalibi. resistividad del suelo ρ. etc. Esto es cierto a menos que la red sea asimétrica (tiene proyecciones. duración de choque t s . la tensión de toque en la esquina de la red podrá ser superior a la tensión de la malla de esquina.2.2. . En estos casos. La tensión Em de esquina se calculó en el centro de la malla de la esquina. Un análisis basado en un programa de computadora. Tabla 11. el espaciado del conductor. o si la malla de separación cerca del perímetro es pequeña. Así.5. Sin embargo. En un estudio por computadora de tres típicas redes de conexión a tierra de resistividad del suelo uniforme. tiene barras de tierra situado en/o cerca del perímetro. El peor caso real de Em ocurre ligeramente fuera del centro (hacia la esquina de la red).8. se obtuvieron los datos mostrados en la Tabla 11. A menos que se especifique lo contrario. Bauchard. en el resto de la guía se utiliza el término tensión de la malla (Em) como la tensión de contacto en el centro de la malla de la esquina. EPRIEL-3099 [B61]). en las ecuaciones para la tensión de la malla E m dada en 16.2 Los Parámetros Críticos Los siguientes parámetros dependientes se han encontrado que tienen un impacto considerable en el diseño de la rejilla: Corriente máxima de la malla I G . sólo la tensión de la malla en el centro de la malla de la esquina se utiliza como la base del proceso de diseño. el criterio inicial para un diseño seguro es limitar la malla computarizada o la tensión de contacto más abajo que la tensión de contacto tolerable de la ecuación (32) o la ecuación (33). y Mukhedkar [B45]. la tensión de la malla en la esquina es generalmente mucho mayor que en el centro de la malla. Un breve examen o revisión de los parámetros críticos se da en 16. resistividad de material de la superficie (ρ s ). Dawalibi y Mukhedkar [B43].16. duración de la falla t f . puede utilizar esta aproximación de la tensión de la malla de esquina. Varios parámetros definen la geometría de la red.diámetro y la profundidad de los conductores. y la geometría de la malla. y la profundidad de la malla tienen un mayor impacto en la tensión de la malla. Estas redes fueron de cuadriculas de forma simétrica sin barras de tierra y de igual separación de conductores paralelos. que se describe en 16. y el perfil de resistividad del suelo. la tensión de la malla no puede ser peor que el caso de la tensión de toque si las tomas de tierra se encuentran cerca del perímetro.). la actual tensión de la malla de esquina. I G .2-6. suficientes datos serán recogidos en el patio de la subestación. y el factor de decremento.25 a 1. a menos que la duración de la falla sea la suma de crisis sucesivas. se debe considerar a la resistencia de la rejilla de tierra. Por ejemplo. La cláusula 18 describe algunas de las limitaciones encontradas en la instalación de una rejilla. la excavación de las trincheras en la que se coloca el material conductor limita el espaciamiento del conductor en aproximadamente 2 metros o más.4.5 para obtener más detalles sobre la aplicación de este parámetro. Los valores típicos de t f y t s están en el rango de 0.5 Geometría de la cuadrícula En general. 16.4 y 12. Biddle Co.2 La duración de falla (t f ) y la duración de choque (t s ) La duración de la falla y la duración de toque son normalmente asumidas iguales. Para determinar la máxima corriente I G . 16. mientras que las profundidades típicas van desde 0. como las de re-cierres. la limitación de los parámetros físicos de una red de tierra se basan en la economía y las limitaciones físicas de la instalación de la red. factor de disminución y corriente permisible del cuerpo.10 en la selección de t f y t s . La selección de t f debe reflejar el tiempo rápido de despeje para las subestaciones de transmisión y los tiempos lentos de despejes para distribución y subestaciones industriales.4 y de 15. El método Wenner descrito en el 13.2. se ha descrito en la cláusula 15.16. [B102].5 m hasta 1. Más información detallada se da en 5. Wenner [B150]).3 es ampliamente utilizado (James J. No es práctico instalar una placa de cobre en el sistema de puesta a tierra.2.2. Porque en realidad.1 de orientación para la determinación de una aproximación de la resistividad del suelo uniforme. por medio de la ecuación (64).4 Resistividad de la capa superficial (ρs) Una capa de material en la superficie ayuda en la limitación de la corriente del cuerpo mediante la adición de resistencia a la resistencia equivalente del cuerpo. 16. las ecuaciones pueden emplear sólo un valor único para la resistividad.3 Resistividad del suelo (ρ) La resistencia de la malla y los gradientes de tensión en una subestación dependen directamente de la resistividad del suelo. Espaciamientos típicos de conductores esta en el rango de 3 m a 15 m. la división de la corriente de falla a tierra entre las vías de retorno alternas. La limitación económica es evidente. 16. Para los conductores típicos van desde 2 / 0 AWG (67 mm2) a 500 kcmil (253 mm2). Puesto que las ecuaciones para E m y E s dadas en 16. la resistividad del suelo varía tanto horizontal como verticalmente. Consulte a 7.0 s.2. el diámetro del conductor tiene un efecto despreciable sobre la tensión de la . Consulte 13.5 asumen la resistividad del suelo uniforme. Las opciones t f y t s deberían resultar de la combinación más pesimista de la corriente de falla.5 m. la malla.1 Máxima Corriente de la Malla (I G ) La evaluación del máximo valor de diseño de corriente de falla a tierra que fluye a través de la malla de puesta a tierra de la subestación.2. 16. Un análisis por computador basado en el modelado de los componentes del sistema de puesta a tierra en detalle puede calcular la resistencia con un alto grado de precisión. debe reflejar la duración máxima del tiempo de despeje posible (incluido el de respaldo). Las estimaciones iniciales de la separación del conductor y la ubicación de la barra de tierra deben basarse en la corriente I G y el área que está siendo puesta a tierra. La corriente I G debería.2 y 14. con la orientación de 5. que fluye a través de la malla remota a tierra se debe utilizar en el diseño de la grilla. .6. Para evitar sobredimensionar el sistema de puesta a tierra. sin embargo.Paso 6: La corriente I G está determinada por las ecuaciones dadas en la cláusula 15. y el tiempo.2 . y cualquier expansión futura del sistema.Paso 5: La estimación de la resistencia preliminar del sistema de puesta a tierra en el suelo uniforme puede ser determinada por las ecuaciones dadas en 14.Paso 3: Las tensiones de toque y de paso tolerable están determinadas por las ecuaciones dadas en 8. uniforme o modelo de dos capas). el factor de decremento.3 Índice de los parámetros de diseño La tabla 12 contiene un resumen de los parámetros de diseño utilizados en el proceso de diseño. además de los adecuados conductores cruzados para proporcionar un acceso conveniente a los aterramientos de los equipos. La corriente de falla 3I 0 debe ser la máxima corrientes de falla que se prevé a futuro que se llevará a cabo por cualquier conductor del sistema de puesta a tierra. . La elección del tiempo. t c . t s . Un estudio de resistividad del suelo. Para el diseño final. etc.3.Paso 1: El mapa del terreno y el plano de ubicación general de la subestación debe proporcionar una buena estimación del área a ser conectado a tierra. estimaciones más precisas de la resistencia puede ser deseada.malla.3 y 8. Cuanto mayor sea el área de tierra. determinará el perfil de resistividad del suelo y el modelo de suelo necesario (es decir. Los parámetros se muestra en el diagrama de bloques se identifican en el índice presentado en el cuadro 12. sólo la parte de la falla de corriente total. se basa en el juicio del ingeniero de diseño. El área del sistema de puesta a tierra es el factor geométrico más importante para determinar la resistencia de la red. A continuación se describe cada uno de los pasos del procedimiento: . . . que se describe en la cláusula 13. . 3I 0 .3. suponiendo que el modelo de suelo se elige correctamente.3. reflejar la peor tipo de falla y su ubicación.4. . menor es la resistencia de la malla y. por tanto.Paso 2: El tamaño del conductor determinado por las ecuaciones dadas en 11. menor es la GPR.4 Procedimiento de diseño El diagrama de bloques de la Figura 33 muestra la secuencia de pasos para diseñar la red de tierra.Paso 4: El diseño preliminar deberá incluir un conductor perimetral que rodee el área de puesta a tierra completa. 16. etc.Paso 10: Si los cálculos de las tensiones de toque y de paso están por debajo de las tensiones tolerables.5 para suelo uniforme.Paso 9: Si la tensión de la malla calculada es inferior a la tensión de toque tolerable. o por las técnicas de análisis más precisas de computadora. el diseño puede estar completo (ver Paso 10).Paso 11: Si bien las tensiones de paso o de tacto superen los límites tolerables. la revisión del diseño de la rejilla es necesaria. Nuevas discusiones de los cálculos están reservadas para esas secciones.Paso 12: Después de que cumplan los requisitos de tensiones de paso y de tacto. como se demuestra en 16. . Si la tensión de la malla calculada es mayor que la tensión de toque tolerable. . el diseño preliminar debe ser revisado (véase el paso 11). Los conductores de la malla adicional pueden ser necesarios si el diseño de la rejilla no incluye conductores cerca de equipos para ser conectados a tierra. . el diseño preliminar debe ser revisado (véase el paso 11). Las tomas de tierra adicional puede ser requerida en la base de pararrayos. el diseño sólo necesita las mejoras necesarias para facilitar el acceso a la tierra de los equipos. Si no. Más discusiones sobre la revisión del diseño de la malla para satisfacer los límites de las tensiones de paso y de contacto se dan en 16. neutros de transformadores. ningún análisis adicional es necesario.. Sólo lo requiere el conductor para proporcionar acceso a la tierra de los equipos.6.Paso 8: El cálculo de la malla y tensiones de paso de la red según el diseño puede hacerse mediante técnicas de análisis aproximadas descritas en 16. adicionales tomas de tierra.8.Paso 7: Si la GPR del diseño preliminar está por debajo de la tensión de toque tolerable. . Ver Cláusula 17. malla adicional y tomas de tierra pueden que sean necesarios. Estas revisiones pueden incluir reducir las distancias entre conductores. . . etc. El diseño final también debe revisarse para eliminar los potenciales de transferencia peligrosos y los riesgos asociados con las zonas especiales de preocupación. Tabla 12-Índice de parámetros de diseño . Tabla 12-Índice de parámetros de diseño (continuación) . Tabla 12-Índice de parámetros de diseño (continuación) . en relación con el anexo D. un factor de corrección. describe la aproximación de las ecuaciones para determinar los parámetros de diseño y el establecimiento de los correspondientes valores de EM y Es.16.5. la malla y tensiones de paso se han desarrollado en EPRI TR-100622 [B63]. Meliopoulos. pero las mejoras en los algoritmos de solución y la proliferación de las computadoras de escritorio de gran alcance han aliviado la mayor parte de estas preocupaciones. Garrett y Holley [B71]. ρ. K i . y la corriente media por unidad de longitud enterrada efectiva del conductor sistema de tierra (I G / L M ). 16. Ésta subcláusula.1 Tensión de malla (E m ) Los valores de tensión de la malla se obtienen como producto del factor geométrico. Dawalibi y Mukhedkar [B42]. que representa algunos de los errores introducidos por las suposiciones hechas en la obtención de K m . no es económicamente justificable utilizar estos algoritmos de computadora. y Webb [B91]. En algunos casos. y la alegría. . K m . la resistividad del suelo. Heppe [B81].. o el diseñador no puede tener acceso a una computadora con la capacidad requerida. Estos algoritmos requieren capacidad de almacenamiento considerables y son relativamente caros para ejecutarse.5 Cálculo de voltajes máximos de paso y de la malla Algoritmos de computadora para determinar la resistencia de la malla. sin necesidad de usar una computadora. 5.2 .16. n. puede ser aplicable a rejillas rectangulares o en forma irregular que representen el número de conductores en paralelo de una cuadrícula rectangular equivalente. el número efectivo de conductores paralelos en una red dada. es el siguiente: Para mallas con varillas de tierra a lo largo del perímetro.Tensión de paso (E s ) El factor geométrico Km (Sverak [B132]). Utilizando los componentes de cuatro formas de cuadrículas desarrollados en Thapar. Donde n b = 1 para cuadrículas n c = 1 para las mallas cuadradas y rectangulares n d = 1 para las mallas cuadradas. Balakrishnan. o ninguna ubicadas en las esquinas o en el perímetro. así como a lo largo del perímetro y en toda el área de la cuadrícula. o para las rejillas con varillas de tierra en las esquinas de la malla. Gerez. y en Blank [B144]. rectangulares y en forma de L en otros casos . K ii = 1 Para las mallas sin barras o mallas con sólo unas pocas varillas de tierra. la longitud efectiva enterrada.5.2 Tensión de paso (Es) Los valores de tensión de paso se obtienen como producto del factor geométrico. la resistividad del suelo. y la corriente media por unidad de longitud del conductor de tierra enterrado del sistema (I G / L S ). ρ.LC Lp A LX Ly DM es la longitud total del conductor en la red horizontal en m es la longitud de periféricos de la red en m es el área de la red en m2 es la longitud máxima de la red en la dirección x en m es la longitud máxima de la red en la dirección y en m es la distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la red en m y D. pero ninguno de ellos situados en las esquinas o en el perímetro de la red. el factor de corrección. El factor de irregularidad. . h. K i . K S . es Dónde LR es la longitud total de todas las tomas de tierra en m Dónde Lr es la longitud de cada barra de tierra en m 16. Ki. usado en conjunción con la n definida anteriormente es Para las redes sin varillas de tierra. LM. o con sólo pocas varillas de tierra dispersos en toda la red. d se definen en la tabla 12. El problema en el perímetro puede ser más difícil. Sin embargo. especialmente en subestación pequeñas cuando la resistividad es alta. comienza y se extiende al exterior del perímetro del conductor en la bisectriz del ángulo de la esquina más extrema de la malla. para asegurarse de que las pendientes de los gradientes queden inmediatamente fuera de este perímetro y no contribuya a los contactos de toques más peligrosos. enterrando el conductor de malla de tierra fuera de la línea de la cerca. K s es 16. L S . la tensión de transferencia máxima. manantiales) pueden ser utilizados si el espacio disponible es limitado y las barras penetran las capas inferiores de resistividad. la longitud efectiva del conductor enterrado.Para las redes con o sin varillas de tierra. como a mayor distancia de la subestación se separe.25 m <h <2. el estado de la placa continua puede ser aprovechada más de cerca los potenciales peligrosos dentro de la subestación por lo tanto puede ser eliminado con un costo. en función del método utilizado.5 m (Sverak [B132]). Una disminución en la resistencia de la subestación puede o no puede disminuir sensiblemente los gradientes locales. Otro enfoque para el control de los gradientes del perímetro y los potenciales de paso es a dos o más conductores paralelos alrededor del perímetro a mayor profundidad. La manera más eficaz para disminuir la resistencia de la red de tierra es mediante el aumento de la superficie ocupada por la malla. Otro enfoque consiste en variar el espaciado de la malla con conductores más cerrados cerca del . las posibles soluciones siguientes deberán ser estudiados y aplicados en su caso: a) Disminuir la resistencia total de la malla: Una disminución en la resistencia total de la malla disminuirá el máximo GPR y. sucesivamente.6 Refinamiento del diseño preliminar Si los cálculos basados en el diseño preliminar indican que pueden existir diferencias de potencial peligrosas dentro de la subestación. b) La cerrando la cuadrícula: Mediante el empleo del espaciamiento entre conductores de la malla. Barras de conducción enterradas o (pozos. Esta densidad se puede disminuir hacia el centro de la grilla. es generalmente posible. Otra forma eficaz y económica para controlar gradientes es aumentar la densidad de las varillas de tierra en el perímetro. Para la profundidad de enterramiento habitual de 0. por tanto. fuentes de agua. es La máxima tensión de paso se supone que ocurre a una distancia de 1 m. Todos los casos supone un modelo de suelo y el espaciamiento uniforme de conductor uniforme. El área de las redes se varió de 6. La mayoría de ejemplos prácticos de diseño de la rejilla se consideraron.7 Aplicación de las ecuaciones de E M y E s Varias hipótesis de simplificación se realizan en la obtención de las ecuaciones de E m y Es.5 a 22.5 m. EPRI TR-100622 [B63]. y en forma de L. . el peligro puede ser aumentado y no disminuido. Las comparaciones que encontraron en el seguimiento de los resultados de las ecuaciones a las del computador una precisión aceptable. sin embargo. e) Impedir el acceso a zonas restringidas: Impidiendo el acceso a determinadas zonas. parte de la corriente de falla se desviará de la red. estos algoritmos se basan en: a) Modelado de los componentes que integran el sistema de puesta a tierra (conductores de la malla. Laurent [B97]. 16. el número de las varillas de tierra. varillas de tierra. Las ecuaciones se compararon con los resultados más precisos de la computadora de los casos con formas diversas de red. En general. tamaños de malla. c) Resolución de la corriente de falla a tierra que fluye de cada componente a la tierra.8 Uso del análisis de computadora en el diseño de la malla Dawalibi y Mukhedkar [B42]. y se comprobó que eran consistentemente mejores que las ecuaciones anteriores. d) Calcular el potencial en cualquier punto de la superficie deseada por todos los componentes individuales. Estos casos incluían rejillas cuadradas. 16. El número de mallas a lo largo de un lado se varió entre 1 a 40. En relación con este último. cuando sea práctico.) b) La formación de un conjunto de ecuaciones que describen la interacción de estos componentes. por lo general no son factibles.25 m2 a 10 000 m2. reducirá la probabilidad de riesgos para el personal. El tamaño de malla se varió de 2. limitar la corriente de falla total disminuirá la GPR y todos los gradientes en proporción. Biegelmeier y Rotter [B8]. Sverak [B131]). Por otra parte. c) Desvío de una mayor parte de la corriente de falla a otros caminos: Mediante la conexión de las cabezas de los cables de tierra de las líneas de transmisión o al disminuir las resistencias al pie de la torre en las cercanías de la subestación. Los casos se realizaron con y sin varillas de tierra. La precisión del algoritmo de la computadora depende de cuán bien sea el modelo de suelo y la disposición física que reflejen las condiciones reales de campo. y longitud de las varillas de tierra. y Heppe [B80] describen algoritmos computacionales para el modelado de sistemas de puesta a tierra. rectangulares. d) La limitación de la corriente de falla total: Si es posible. en forma de T. triangulares. El total de la longitud de la varilla de tierra era muy variado con diferentes números de lugares y longitudes diferentes. sin embargo. cerca de las zapatas de las torre debe ser sopesado. Otros factores.perímetro de la malla (Grupo de Trabajo AIEE [B3]. si se logra a expensas de un mayor tiempo de despeje de fallas. el efecto sobre los gradientes de falla. etc. d) La desigual en el espaciamientos de los conductores de la cuadrícula o la barra de tierra no puede ser analizada utilizando los métodos aproximados de 16.a) Hay varias razones que justifican el uso de algoritmos de computadora más precisos en el diseño del sistema de tierra. que introduce complejidad al sistema.5. f) La presencia de estructuras metálicas enterradas o conductor no conectados al sistema de puesta a tierra. Estas razones incluyen b) Parámetros que superan las limitaciones de las ecuaciones. c) Un modelo de dos o más capas de suelo es preferido debido a variaciones significativas en la resistividad del suelo. . e) Más flexibilidad en la determinación de puntos locales de peligro se pueden desear.