CALCULO DE LA MALLA DEPUESTA A TIERRA DE UNA SUBESTACIÓN NORMA ANSI/IEEE STD 80 _1986 REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta atierra son los siguientes: a. Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra. b. La variación de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser despreciable de manera que la corriente de falla a tierra, en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las protecciones. c. Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas. d. Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos. e. Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo), no debe haber calentamientos excesivos. f. Debe ser resistente a la corrosión. OBJETIVOS DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Desde el punto de vista de seguridad:Evitar diferencias de potencial peligrosas para las personas Para ello se busca minimizar las diferencias de potencial entre las diferentes partes metálicas de la instalación y entre estas partes y el terreno FUNCIONES DE UN SPT Ante fallas a tierra debe contribuir al logro de tensiones bajas entre los conductores de las fases sanas y tierra Proporcionar una vía de baja impedancia para operación de las protecciones Conducir adecuadamente a tierra las corrientes provenientes de descargas atmosféricas. limitando las diferencias de potencial que pueden producirse . etc.) . tuberías.) Tierra de servicio: servicio A ella se conectan las partes activas de un circuito eléctrico ( neutro de transformadores de poder.CLASIFICACION DE LOS SPT Tierra de protección: A ella se conectan conductores normalmente sin tensión (carcazas. de condensadores. crucetas de estructuras. etc. de TT/PP. CLASIFICACION DE UN SPT SEGÚN SU RESISTENCIA Resistencia(Ω) <1 1a5 5 a 10 10 a 15 15 a 20 > 20 AT Excelente Muy buena Buena Aceptable Regular Mala BT Excelente Muy buena Buena Aceptable Regular Mala . Resistividades típicas de terrenos Tipo de terreno Húmedo Arcilloso Fangoso Arenoso Suelo pedregoso Roca ρ (Ω∙m) 10 a 50 20 a 60 150 a 300 250 a 500 300 a 400 1000 a 10000 . su valor permisible esta dado por: Donde: Ep = Tensión de Paso Permisible en voltios. .TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES TENSION DE PASO Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden ser tocados simultáneamente por una persona. ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m) t = Duración máxima de falla en segundos. su valor permisible está dado por: Donde: Et = Tensión de contacto permisible en voltios.TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES TENSION DE CONTACTO Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultáneamente por una persona. . ρs= Resistividad de la superficie del terreno en (Ω-m) t = Duración máxima de falla en segundos. . • Configuración de la malla. . • Profundidad de instalación de la malla. • Conductor de la malla. • Tensión Permisible de contacto. • Resistividad del terreno • Tiempo máximo de despeje de la falla.DISEÑO DE UNA MALLA A TIERRA El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables: • Tensión Permisible de Paso. ) Ta = Temperatura ambiente (°C). t = Tiempo máximo de despeje de la falla (seg). estos valores mínimos están de acuerdo con prácticas internacionales. la sección mínima recomendable es 2/0 AWG para la malla y 5/8” para las varillas.) Tm = Temperatura máxima en los nodos de la malla (450°C con soldadura y 250°C con amarre pernado. I = Corriente máxima de falla (Amp. Sin embargo.Selección del conductor de la Malla Para calcular la sección del conductor se aplica la siguiente ecuación: Donde: Ac = Sección del conductor (CM). . ki = Coeficiente de irregularidad del terreno. la influencia combinada de la profundidad y del espaciamiento de la malla.Tensiones Reales de Paso y de contacto La tensión de paso real en una subestación está dada por: Donde: Ep = Tensión de paso real en voltios. ks = Coeficiente que tiene en cuenta. ρ = Resistividad del suelo (Ω-m) I = Corriente máxima de falla (Amp) L = Longitud total del conductor (m) . Tensiones Reales de Paso y de contacto La tensión de contacto real está dado por: Donde: Et = Tensión de contacto en voltios. . k m = Coeficiente que tiene en cuenta las características geométricas de la malla. h= Profundidad de enterramiento (m). L= Longitud total del conductor (m). n= Número de conductores en paralelo de longitud A m= Número de conductores en paralelo de longitud B. B= Ancho de la malla (m). d= Diámetro del conductor (m) La longitud total del conductor está dada por L= n*A +m*B km es: .Determinación de los coeficientes km. ks Para la determinación de los coeficientes es necesario tener en cuenta las siguientes definiciones: A= Longitud de la malla (m). ki . D= Espaciamiento entre conductores (m). 0 ks es: n≤7 n>7 .65+0. ks ki es: ki = 0.Determinación de los coeficientes km. ki .172n ki =2. El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el método de Laurent y Niemann o por método de Dwinght.Valor de la resistencia de Puestas a Tierra. La ecuación anterior es una aproximación y su resultado siempre es mayor que el valor real. Método de Laurent y Niemann Este método es bastante aproximado y la expresión para el cálculo es: Donde: R = Resistencia en ohmios. . Aγ = Área de la malla de puesta a tierra en m² ρ = Resistividad del suelo (Ω-m) L = Longitud total del conductor (m). 5 kV Resistividad del suelo: 300 (Ω-m) Resistividad de la superficie: 2000 (Ω-m) Tiempo máximo de falla: 1 seg. Temperatura ambiente: 30ºC El conductor se enterrará a 70 cm .EJEMPLO Cálculo de la malla de tierra de una subestación con los siguientes datos: Dimensiones del patio: 40 x 50 m² Corriente máxima de falla: 1000 A Nivel de Tensión (primario): 34. EJEMPLO Selección del conductor Ta =30ºC Tm =250ºc (uniones pernadas) Aplicando la ecuación de Sección del conductor 1 CM= 5 x 10-4 mm². 11213 CM=5.6716 mm Aproximando al calibre mínimo permitido por la norma se elige el conductor AWG 2/0 que tiene un diámetro igual a 10.606mm² El diámetro del conductor es= 2.52 mm . 881 .7 m d= 0.EJEMPLO Elección de la malla Supóngase que se tiene cuadrados de 10m (se inicia por un valor cualquiera razonable) Por lo tanto: A = 50 m B = 40 m Luego: n= 5 m=6 D=10 m El conductor se enterrará a 70 cm h=0.01052 m L = (5x50)+(6x40) = 490 m =0. 65+(0.172*5) ki =1.25 2000 Et 665 V 1 .EJEMPLO Elección de la malla ki = 0.5 =0.291 Cálculo de las tensiones permisibles de paso y contacto 165 2000 Ep 2165 V 1 165 0. EJEMPLO Elección de la malla Los valores reales son: < 2165 voltios > 665 voltios La disposición escogida no cumple con el valor permisible de Et ¿Qué se hace entonces? . 65 + 0.EJEMPLO Elección de la malla Se ensaya una nueva disposición con cuadricula de 7 m (con 9 m ó 8 m no cumple) Los nuevos valores son: A=49 m B=42 m n=7 m=8 D=7 m L=7*49+8*42 = 679 m = 0.854 = 0.172*7=1.734 Ki = 0.327 . 25 < 665 voltios Et 679 Debido a que estos valores si cumplen se continúa el cálculo: .86 < 2165 voltios 0.854 * 300 *1000 = 601.734 *1.EJEMPLO Elección de la malla Entonces: = 267. Determinar la resistencia por un método mas exacto como el de Dwight. Como este método de cálculo de la resistencia es muy aproximado y el valor está cercano al limite. Mejorar la resistencia de puesta a tierra con la utilización de electrodos verticales. o 2.126 Ω Este valor de resistencia es mayor que el mínimo permisible de 3 Ω.EJEMPLO Calculo de la resistencia por el Método de Laurent y Niemann = 3. . se pueden tomar dos decisiones: 1. 800+(7-1)*(1.800 Ω E= 2.421 Ω .337 m = 1.724 Ω Rcn = 21.724/7 = 3.191*7 = 15.191 D = 2.EJEMPLO Calculo de la resistencia por el Método de Dwight: = 11.654 Ω Rc = 11.654) = 21.103 Ω = 13. 654) = 21.EJEMPLO Calculo de la resistencia por el Método de Dwight: E = 2. .140 Ω Rcm= 35.140/8 = 4.818 Ω <3 Ω Por lo tanto la disposición asumida da garantía tanto de tener los voltajes de paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es menor que el máximo aceptado.392 Ω = 1.685 Ω Ram= (8-1)*(1.430D E = 2.430* 7 =17.818 3 Ω 1.010m = 1.421 +21.719 = 35.719 Ω Rcu = 13.685) + (7-1)*(1. E1= 3. se recomienda: P es el perímetro de la malla. ρ2= 777 (Ω∙m). 2 1 R pt 1. E1 espesor del estrato equivalente superior.Cálculo resistencia de puestas a tierra en terrenos biestratificados Método de Laurent: para una malla enterrada en el estrato superior de resistividad ρ1 < ρ2: En el caso anterior.6 0. por ejemplo en un caso típico se puede tener en base a mediciones: ρ1= 77 (Ω∙m).6 P L1 S .3 m.E1= 1.6 0.6 P L1 2 1 1 E1 R pt 1. L1 longitud total de conductor de la malla .S área de la malla.9 m Si lo anterior no se cumple. el espacio entre eléctrodos decrece. reduciendo así la efectividad individual de cada varilla. ¿Cómo se determinaría el numero de varillas y la resistencia resultante? . pues su efectividad decrece cuando su número aumenta. tienden a entrecruzarse . los cuales determinan la resistencia de tierra. Los cilindros frontera de las varillas. ya que con estas no se logra una superficie equipotencial.EJEMPLO CÁLCULO DEL NÚMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES. Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia. Estos resultados se deben al siguiente fenómeno: cuando el número de varillas aumenta en determinada área. y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto toman valores peligrosos. El uso de varillas de tierra como único medio de puesta a tierra en una subestación. Datos de laboratorio muestran que existe un límite en el número de varillas en paralelo. no es recomendable. Desarrollar y discutir el ejemplo 4.8 de manual de Pedro Ortuondo sobre el comportamiento de dos mallas de tierra interconectadas a través de un conductor 4/0 AWG-7.5 metros de profundidad. de longitud 120 [m] y enterrado a 0. . Haga un cuadro comparativo entre las tensiones máximas de contacto sin y con interconexión. NORMA ANSI/IEEE Std 80 _2000 .
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