• Author / Uploaded
• faradio

• Categories
• Transformador
• Corriente eléctrica
• Resistencia eléctrica y conductancia
• Voltaje
• Magnetismo

Citation preview

TEXTO DE ESTUDIO

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT Debido

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

DANIEL VÍCTOR HENRÍQUEZ SANTANA

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

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

El Autor

INDICE MATERIAS

.

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

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

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

Parte

1

Norma Eléctrica y dispositivos de protección

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

1 INGENIEROS RELATORES

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

2

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

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

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

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

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

3

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

3.000 ohms

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

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

4 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

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

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

5

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

6 INGENIEROS RELATORES

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

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

norma IEC 60479

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

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

7 INGENIEROS RELATORES

Zona 3.

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

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

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

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

•

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

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

8

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

50V

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

24V

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

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

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

9 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

Toma corriente con alvéolos protegidos

10

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

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

1.4. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CLASE A

Véase NCH4-2003 párrafo 9.2.6

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

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

Transformador de aislación

11

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Transformador de aislación

El esquema eléctrico representativo del sistema mostrado en la figura es el siguiente :

Circuito eléctrico representativo

Según la figura , la corriente del circuito de falla estaría limitada por las resistencias de los conductores, del transformador de aislación, de falla del suelo y de la tierra de servicio. IF =

V RC + RTA + RF + RS + RTS

Si en el equipo eléctrico conectado al sistema se presenta una falla de aislación, este al no estar conectado a tierra, presentaría una resistencia de falla infinita. RF = infinito ohm Al existir el transformador de aislación en el sistema mostrado en la figura 10, debe considerarse que este siempre presenta una resistencia infinita al paso de la corriente de defecto. RTA = infinito ohm La resistencia de los conductores por ser muy pequeña dentro de los análisis teóricos se considera igual a cero. RC = 0 ohm La participación del suelo en la circulación de la corriente eléctrica se considera teóricamente ideal, es decir sin oposición.

12

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

RS = 0 ohm La resistencia de la tierra de servicio siempre es distinta a cero, pero con un valor finito. 0 < RTS < infinito ohm Según las condiciones indicadas anteriormente y considerando una tensión máxima posible de presentarse equivalente a la del sistema de alimentación en condición monofásica, la corriente de falla que se alcanzaría será: IF =

220V

= 0 amp.

0+infinito+infinito+0+ [=0] Según el resultado de la expresión anterior, en esta condición, no existiría una circulación de corriente. Si el defecto de aislación no es eliminado, y una persona entra en contacto con la carcaza del equipo, la resistencia de falla estaría dada teóricamente por la del cuerpo humano, que como se ha dicho se considera igual a 3.000 ohms. Los parámetros de resistencia de los conductores, del trasformador de aislación, del suelo y de la tierra de servicio, permanecen con los valores indicados anteriormente, por lo que la corriente que pasaría por el cuerpo de la persona sería : IF =

220V

= 0 amp.

0+infinito+3.000 +0+ [=0] Como puede observarse, la corriente que circularía por la persona sería igual a cero, por lo que el contacto eléctrico indirecto no existe, protegiendo al usuario y evidentemente manteniendo la continuidad del servicio, ya que no se necesita el accionar de al algún dispositivo de protección. El transformador de aislación es el responsable de mantener respecto a tierra, siempre una resistencia infinita, pero en el sistema bajo condiciones normales de funcionamiento, presenta un valor bastante bajo. El transformador de aislación debe ser construido de manera muy especial, sobre todo su carcaza, la que no debe ser conductora, además que al instalarlo en la red, el circuito secundario de este no debe tener ningún punto común con el circuito primario ni con ningún otro circuito. Un resultado similar al logrado con el transformador de aislación, se obtiene no conectando a tierra el neutro del transformador de alimentación, pero lamentablemente en el caso de las redes trifásicas

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

13 INGENIEROS RELATORES

desequilibradas podría producirse un desplazamiento de neutro. El límite de tensión y de potencia para el uso de transformadores de aislamiento monofásicos es 10 (kVA), mientras que el caso trifásico es de 16 (kVA), según lo indicado en la norma técnica vigente. Este sistema es eficaz cuando hay un único aparato fallado; por ello se debe usar en instalaciones con muy pocos puntos de consumo. Este sistema pierde su eficacia para fallas dobles o múltiples debido a que comienza a circular corriente entre las carcazas de los equipos, con el consiguiente peligro de contacto eléctrico aislado de tierra para la persona que toque dos en falla y de incendio por calentamiento de las carcazas de los equipos. Esta debilidad se la puede superar utilizando detectores de fugas y de fallas de aislación, pero su elevado costo impide su utilización intensiva,

2. EMPLEO DE TENSIONES EXTRABAJAS 24 /42vV Consiste en alimentar las instalaciones con tensiones de un valor lo suficientemente bajo como para poder ser tocadas directamente sin que exista riesgo en el caso de un defecto de aislación. Debido a que la tensión de alimentación es pequeña, no se requiere conectar a tierra los equipos. Una gran problemática que existe con el uso de este sistema, es la obtención de la tensión reducida, la que no es problemática lograrla si no que los equipos eléctricos tradicionales en nuestro medio vienen diseñados para operar con voltajes promedios de 220 (V). Este método es aplicable en una cantidad muy restringida de casos, y en general, para potencias pequeñas, puesto que exige grandes secciones de conductores. Su desventaja principal es el costo de implementación, y la poca versatilidad de utilización en las aplicaciones actuales de la energía eléctrica en instalaciones de potencia.

3. EMPLEO DE DOBLE AISLACIÓN El peligro de los contactos indirectos radica en la puesta bajo tensión de las carcazas metálicas de los equipos eléctricos integrantes de las instalaciones interiores, producto de la circulación de corrientes eléctricas por ellas cuando se encuentran conectadas a tierra. La doble aislación consiste en recubrir las carcazas metálicas con materiales aislantes o construir carcazas no conductoras, evitando de este modo que frente a una falla del equipo la carcaza se energice poniendo en peligro al usuario. Por la tecnología disponible es solo aplicable a artefactos electrodomésticos o, a máquinas herramientas portátiles, además que su elevado costo hace inaplicable su uso intensivo.

14

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

4. EMPLEO DE CONEXIONES EQUIPOTENCIALES Consiste en interconectar todas las partes metálicas, como tuberías metálicas de agua potable, gas, canalizaciones eléctricas, partes principales, etc. con el objeto de evitar que entre ellas aparezcan diferencias de potencial. Este método sirve solo como solución a problemas locales; necesita operar combinadamente con otros métodos de protección. Existen serias dificultades para evitar que una elevación de potencial de la unión se transfiera a puntos remotos.

1.5. MEDIDAS DE PROTECCIÓN CLASE B

Véase NCH4-2003 párrafo 9.2.7

Las medidas de protección clase B, persiguen principalmente interrumpir el suministro eléctrico de la instalación, o del sector en donde se produjo el defecto, para evitar que una persona quede sometida a un potencial peligroso durante un tiempo superior al normalizado. Pueden ser utilizadas en instalaciones puestas a tierra y en instalaciones puestas al neutro. 1. En Instalaciones Puestas a Tierra El concepto de instalaciones puestas a tierra, consiste en conectar directamente a una tierra de protección, las carcazas de los equipos integrantes de la red eléctrica interior. Dentro de este esquema podemos encontrar las instalaciones con neutro sólidamente aterrizado y las con neutro flotante. 2. Con Neutro Sólidamente Aterrizado Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. Consiste en tener una red de alimentación compuesta de un transformador en conexión delta - estrella sólidamente aterrizado, y las carcazas de los equipos conectados a una puesta a tierra de protección.

15

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Puesta a Tierra con neutro solidamente aterrizado El circuito eléctrico representativo tanto para el caso del cliente de alta como efe baja tensión sería el siguiente:

La corriente de falla frente a un pérdida de aislación estaría determinada por la siguiente :

La resistencia de los conductores (RC), y del suelo (RS), teóricamente se asumen igual a cero, mientras que la resistencia de la tierra de servicio (RTS), que si bien es cierto es distinta a cero, posee un valor bastante pequeño, por lo que en el análisis del defecto no se toma en consideración. Según esto, la corriente de falla estaría determinada fundamentalmente por la resistencia de la tierra de protección.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

16 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Del punto de vista normativo, para este esquema de neutro sea adecuado en la protección de las personas contra los contactos indirectos, las condiciones que debe cumplir son: (a) La corriente de falla producto de una perdida de aislación deberá tener una magnitud tal que asegure la operación del dispositivo de protección en un tiempo .

no superior a 0,5 segundos

(b) Una masa cualquiera no puede permanecer con relación a una toma de tierra, a un potencial que exceda el valor de tensión de seguridad prescrito en la NCH Elec 4/2003, capítulo 9, sección 9.0.6.3. (24 volts para lugares húmedos y 50 volts para lugares secos). (c) Todas las masas de la instalación deben estar conectadas a la misma toma de tierra, es decir, se debe operar con una conexión del tipo colectiva.*****

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

17 INGENIEROS RELATORES

1.6. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE DISYUNTORES Y FUSIBLES La primera condición que impone este sistema (a), es la más difícil de cumplir cuando el corte de suministro de la instalación o equipo en falla, depende de un dispositivo de corte automático operado por corriente de falla, los que pueden ser disyuntores termomagnéticos, o bien, protectores fusibles. Actualmente las instalaciones interiores están siendo protegidas por disyuntores termomagnéticos, razón por la cual, el análisis de verificación del cumplimiento de la primera condición indicada en este punto (tiempo de despeje no superior a 0,5 seg. , se realizará en función de éstas protecciones. Si suponemos que la instalación eléctrica cuenta con una protección termomagnética de 16 amperes y disparador magnético tipo "C", la corriente necesaria para el disparo del dispositivo dentro del tiempo normalizado sería de 60 amperes.

0,

Determinación de la corriente de falla según tiempo normalizado

Según lo anterior, y considerando una tensión de seguridad de 24 (V), la ecuación representativa de este sistema tendría los siguientes parámetros:

Por lo indicado, en la ecuación anterior, para que el sistema sea eficaz en la protección de las personas frente al contacto indirecto, necesitaría que la resistencia de la puesta a tierra de protección no supere los 0,4 ohm valor que en la práctica resulta imposible de lograr a un costo adecuado. Como en la práctica se hace muy difícil cumplir con el valor máximo de la resistencia de puesta a tierra, la norma NCH Elec 4/2003 nos dice que, en este caso se deben utilizar dispositivos asociados a los de corte automático que sean los responsables de interrumpir el servicio frente a una falla de aislación.

18

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

1.7. CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL INTERRUPTOR DIFERENCIAL El elemento asociado a los de corte automático más difundido por su excelente confiabilidad y bajo costo, es el Dispositivo Diferencial Residual (DDR), de baja tensión. Al utilizar un protector diferencial como dispositivo de interrupción, el análisis del cumplimiento de las condiciones normativas para este esquema de neutro, se deben realizar basándose en los parámetros de operación de los DDR. Se debe considerar que el tiempo de operación de los diferenciales esta normalizado, y no puede exceder de 300 msg, además, que en forma general, estos dispositivos funcionan para tiempos inferiores a los 50 msg, tiempo varias veces menor que el establecido en la norma. En lo que respecta a su corriente de operación, llamada sensibilidad, normalmente el más utilizado es el que tiene un valor de 30 ma. Con estos datos, al volver a evaluar la resistencia máxima de la puesta a tierra de protección sería de :

Según la información anterior, vemos claramente que este sistema de protección por si solo no brinda el grado de protección adecuado, mientras que si le incluimos un protector diferencial (quien debe interrumpir suministro en caso de falla y no el termomagnético), el sistema mejora considerablemente, aunque la resistencia de la tierra de protección sea más elevada.

)Con Neutro Flotante

Véase NCH4-2003

El sistema consiste en tener el punto estrella del secundario del transformador de alimentación conectado a tierra de servicio por medio de una impedancia de un valor elevado, y las carcazas del los equipos conectados a una tierra de protección, ya sea individual o colectiva.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

19 INGENIEROS RELATORES

Las condiciones que debe cumplir este sistema son las mismas indicadas para el sistema anterior (neutro sólidamente aterrizado). En el caso de no poder cumplir la primera condición (a), deberán cumplirse las siguientes otras condiciones :

)1.

Deberá existir un dispositivo automático de señalización que muestre cuando se haya

presentado una única falla de aislación en la instalación.

)2.

En caso de fallas simultáneas que afecten la aislación de fases distintas o de una fase y neutro,

la separación de la parte fallada de la instalación debe asegurarse mediante dispositivos de corte automático que interrumpan todos los conductores de alimentación, incluso el neutro (es decir protecciones tetrapolares en caso trifásico y bipolares en el caso monofásico). Se puede comprender de la figura , que este sistema se basa en el principio de que al estar aislado el neutro de la alimentación de la tierra de protección de la carga como sucedía en el caso del uso de transformadores de aislación, al existir una falla, no habría corriente de fuga que cierre el circuito por tierra, con lo cual, realmente el defecto se evita. Una primera falla de aislación no hace operar las protecciones, manteniéndose la continuidad del servicio. Los conductores activos del sistema no presentan tensión respecto a tierra, por lo que el defecto no energiza la carcaza del equipo fallado con la consiguiente disminución de riesgos para usuarios y operarios. Lamentablemente todas las ventajas mencionadas, desaparecen

20

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

cuando se presenta una segunda falla de aislación, puesto que el sistema aislado se convierte en puesto a tierra al ocurrir la primera falla. Los dispositivos que permiten el funcionamiento del sistema, corrigiendo o detectando oportunamente estas anomalías, tienen un elevado costo propio y de instalación. Al realizar la protección del usuario mediante los disyuntores termomagnéticos, se debe tener en cuenta que si las masas metálicas están interconectadas, la corriente del segundo defecto se convierte en un cortocircuito. Si esta corriente es mayor a la corriente de desenclavamiento del magnético, el disyuntor operará. En caso contrario la falla persiste. Recordemos que la corriente de defecto esta relacionada con la impedancia de falla en forma inversa (ley de Ohm), por lo tanto esta corriente variará dependiendo de la longitud y sección de los conductores, es decir, la protección termomagnética funcionará solo si la longitud y sección de estos es la adecuada. Al utilizar un protector diferencial, se asegura la desconexión inmediata al segundo defecto, ya que solo de necesitará una corriente que sea igual a su sensibilidad, Verificamos una vez más que la protección diferencial nos asegura la protección adecuada de los usuarios de las instalaciones eléctricas.

En Instalaciones Puestas al Neutro Esta configuración es aplicable tanto a clientes con empalme de baja como de alta tensión. El sistema consiste en unir las masas de la instalación al conductor neutro, de forma tal que las fallas francas de aislación se transformen en un cortocircuito fase - neutro, provocando la operación de los aparatos de protección. Para clientes con empalme de baja tensión, el conductor de protección se conectará al neutro en el punto más próximo al empalme, debiendo además, asociarse el sistema de neutralización a otro sistema de protección contra contactos indirectos que garantice que no existirán tensiones peligrosas en un eventual corte de neutro de la red de distribución. Para clientes con empalme de alta tensión, el conductor de protección se conectará directamente al borne neutro del transformador o, a la puesta a tierra de servicio del mismo. En este caso la resistencia de la puesta a tierra de servicio podrá ser como

máximo de 20 ohm

21

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Las condiciones generales que se deben cumplir en el sistema puesta al neutro, o también llamado neutralización, según nuestra reglamentación nacional, son las siguientes:

) (a) La tierra de servicio se deberá diseñar de tal modo que, en caso de falla a masa, la tensión de

cualquier conductor activo respecto a tierra no sobrepase los 250V.

) (b) El conductor neutro se pondrá a tierra en la proximidad del transformador de alimentación, en

200 mts

distintos puntos de la red a distancias no superiores a . y en los extremos de líneas. No se podrá usar la puesta a tierra de protección de AT del transformador como puesta a tierra de servicio; deberá existir una separación mínima de 20 mts. entre ambas.

) (c) La resistencia total entre todas las puestas a tierra indicadas en el punto (b), no deberá

exceder de 2 ohms )

(d) La resistencia de las puestas a tierra de servicio situadas en las proximidades del

transformador, así como las de los últimos 200 mts. de los extremos de una línea, no deberá exceder .

los 5 ohms

) (e) Los dispositivos de protección utilizados en el sistema deberán ser disyuntores o fusibles.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

22 INGENIEROS RELATORES

) (f) La corriente de falla en el punto asegurará una operación de las protecciones en un tiempo no superior a 0,5 segundos.

) (g) Todas las carcazas de los equipos deberán estar unidas a un conductor de protección el que estará unido al neutro de la instalación.

) (h) El conductor de protección será aislado y de iguales características que el neutro, incluida su sección.

Si analizamos las características del sistema de neutralización podremos darnos cuenta que para poder convertir un defecto de aislación en un cortocircuito se debe perder el 100% de la aislación del equipo, lo cual no es posible de asegurar en todos los casos. Esto es debido fundamentalmente por la acción de la resistencia propia que tiene el material con el cual esta construida la carcaza de los equipos y la resistencia de los conductores, lo que significa que existe la posibilidad de que la corriente de falla no logre hacer que el dispositivo de protección opere en el tiempo normalizado, o simplemente, no interrumpa servicio.

La reglamentación nacional, recomienda utilizar el sistema de neutralización en conjunto con

interruptores diferenciales de alta sensibilidad, efectuando la unión entre el neutro y el conductor de protección antes del diferencial,

Al incluir un protector diferencial en el sistema de neutralización, tanto para clientes de baja como de alta tensión, basta una pequeña corriente de defecto (que este dentro del rango de desenclavamiento), para que el dispositivo desconecte el equipo fallado evitando definitivamente el contacto indirecto. En conclusión, la protección de los usuarios de las instalaciones eléctricas se debe realizar utilizando un conjunto de elementos y dispositivos que al actuar en combinación, pueden lograr proteger efectivamente a las personas frente a los contactos eléctricos. Estos elementos son las puestas a tierra y los dispositivos diferenciales residuales de baja tensión.

23

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

1.8. CALCULO de la CORRIENTE de CORTOCIRCUITO Poder determinar la amplitud con la que una falla de cortocircuito se presentará en una instalación, es de suma importancia para la selección de los elementos pertenecientes a una red de suministro. Su valor depende de varias consideraciones, las que revisaremos a continuación. Tal como se dijo anteriormente, al ocurrir un cortocircuito, la impedancia del sistema queda determinada solo por los elementos que conforman la red de suministro. Esta impedancia tiene la forma R + JX por lo que el circuito equivalente para el análisis de un cortocircuito sería como el mostrado en :

Circuito eléctrico equivalente del cortocircuito

Si analizamos el circuito de la figura , suponiendo que la tensión de la fuente es sinusoidal pura y su amplitud se mantiene en el tiempo, las expresiones que lo definirían serian:

Operando mediante la TRANSFORMADA de la LAPLACE las expresiones anteriores, tendríamos que la corriente "I" quedaría definida por : La expresión anterior se compone de dos grandes términos, uno permanente y el otro transitorio, estando este último representado por el cuerpo que posee la función exponencial.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

24 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Si graficamos por partes la expresión de "I" mostrada anteriormente, obtendremos la forma de onda de la corriente de falla cuando en una instalación se produce un cortocircuito.

Corrientes componentes del cortocircuito La señal permanente se conoce también como la componente alterna de la corriente de falla, y la transitoria como la componente continua. La unión de estas dos señales es la corriente resultante de cortocircuito, la que durante los primeros ciclos posee un comportamiento asimétrico.

25

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

El comportamiento asimétrico de la comente de falla esta determinado por la componente continua de la señal, la que desaparece a lo largo del tiempo. La duración de esta, se encuentra fuertemente influenciada por la expresión exponencial, pero particularmente por la

relación R/L.

En la práctica, determinar la amplitud de la componente continua resulta ser bastante laborioso, sobre todo en instalaciones con gran cantidad de ramificaciones. Como el transitorio está dominado preferentemente por la relación R/L, y que este provoca que la corriente de falla se eleve cierta cantidad de veces respecto a su valor permanente, la expresión anterior podría rescribirse quedando la componente continua representada por el factor de asimetría "fa":

factor de asimetría puede obtenerse mediante el uso de la siguiente gráfica característica :

fa

Gráfica para la obtención del factor de asimetría

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

26 INGENIEROS RELATORES

Otras consideraciones que podemos hacer son: asumir que el ángulo de inicio de falla y el de desfase son iguales λ = ω, que la tensión presenta siempre su valor máximo y que la frecuencia permanece constante, según esto, la ecuación de la corriente "I" puede escribirse como :

Como en la práctica solo conocemos el valor efectivo de las señales, debemos cambiar Emax por su equivalente rms.

Es claro pensar que un cortocircuito puede presentarse en cualquier parte de la instalación, razón por la cual, debemos trasformar la expresión anterior en su equivalente para "n" términos y denotar a "I"

como la corriente de cortocircuito:

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

27 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

1.9. COMPONENTES DEL CORTOCIRCUITO Icc Al presentarse un cortocircuito en una instalación interior, la falla queda gobernada en general por: el sistema eléctrico (representado por un generador equivalente), unidades generadoras, motores asociados a la red y las líneas participantes.

Como es sabido, en nuestro medio existen dos grandes tipos de instalaciones eléctricas interiores, las de alta tensión (conectadas a redes de más de 400 volts), y las de baja tensión (conectadas a redes de menos de 400 volts).

Esquema equivalente del elemento fuente Una aclaración importante de hacer, es que como sistema o generador equivalente, se considera todo lo que exista aguas arriba del transformador de alimentación y que en el caso del cliente de baja, el arranque se conecta directamente al trasformador de distribución. Según esto, si analizamos los esquemas de la figura , desde el generador equivalente hasta los trasformadores, podemos darnos cuenta que tanto el cliente de alta como el de baja tensión, son similares en términos de las impedancias que intervienen, situación que representamos en la siguiente figura:

28

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

1.10. PERDIDAS E IMPEDANCIA PORCENTUAL EN SUBESTACIONES Tanto la pérdida en el cobre como la impedancia porcentual del transformador son datos que deben ser aportados por el fabricante de la máquina. En ausencia de esta información, en la siguiente tabla se entregan con un margen de error aceptable, valores de "W" y "Z%" para transformadores trifásicos clase 15kv y 25kv .

Según lo indicado en la figuras anteriores, el otro elemento que aporta al cortocircuito es la existencia de unidades generadoras, las que evidentemente poseen una impedancia característica. También debe considerarse que el generador se conecta a la instalación por medio de un conductor llamado normalmente alimentador de emergencia, el que contribuye a limitar la corriente de cortocircuito.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

29 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

1.11. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO Y MONOFASICO

)1. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO, considera la unión directa y simultánea de las tres fases de alimentación del sistema. Solo limitan la amplitud de la corriente de cortocircuito la impedancia equivalente de la fuente y de los conductores, independiente del sistema o esquema de neutro que posea la I.E.

.

Cortocircuito trifásico La expresión que define la amplitud máxima de la corriente de cortocircuito trifásica es la siguiente:

30

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

)2. CORTOCIRCUITO BIFÁSICO, considera la unión directa y simultánea de las dos fases de alimentación del sistema. Su comportamiento es similar a la falla trifásica Cortocircuito bifásico La expresión que define la amplitud máxima de la comente de cortocircuito bifásica es la siguiente:

cortocircuito bifásico

31

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

la expresión que define la amplitud máxima de la corriente de cortocircuito bifásica es la siguiente :

Otra forma de calcular la corriente de cortocircuito bifásica es relacionándola con la trifásica, debido a que en general, dependen de los mismos factores.

Según lo indicado en las expresiones anteriores, la corriente de cortocircuito bifásica es equivalente raíz de 3/2 veces la amplitud de la falla trifásica, es decir, representa aproximadamente el

86,6%.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

32 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

)3. CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A NEUTRO, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación con el neutro del sistema.

Cortocircuito monofásico a neutro

La expresión utilizada para el cálculo de la amplitud de la falla monofásica a neutro es igual en estructura a la utilizada para el caso del cortocircuito trifásico, difiriendo solamente en los elementos a considerar.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

33 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

)4. CORTOCIRCUITO MONOFÁSICO A CONDUCTOR DE PROTECCIÓN, considera la unión directa y simultánea de una de las fases de alimentación, con el conductor de protección o cable de tierra de la instalación.

Cortocircuito monofásico a conductor de protección

34

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Este tipo de cortocircuito, descartando la existencia de la carcaza de algún equipo, es prácticamente igual al comportamiento de un defecto o falla de aislación. El régimen de neutro en este tipo de falla adquiere una gran importancia, debido a que dependiendo de su forma, el cortocircuito puede o no ser visto y eliminado por algún dispositivo de protección por sobrecorriente. En Chile, normalmente el esquema de neutro más utilizado es el TNS, es decir, la neutralización, en este caso, y si consideramos que la sección del conductor de protección es igual que la del conductor neutro de la red, el cortocircuito monofásico a conductor de protección tendría la misma amplitud que el cortocircuito monofásico a neutro. La expresión general que define el cortocircuito monofásico a conductor de protección, es igual a la utilizada para el caso de la falla monofásica a neutro, teniendo como diferencia las impedancias a considerar.

(*) En esquema TT considera la resistencia de la fuente, línea de fase, conductor de protección, tierra de protección y tierra de servicio. En esquema IT considera la resistencia de la fuente, línea de fase, conductor de protección, tierra de protección, tierra de servicio y limitadora. En esquema TNS considera la resistencia de la fuente, línea de fase y conductor de protección. (**)En esquema TT considera la reactancia de la fuente, línea de fase y conductor de protección. En esquema IT considera la reactancia de la fuente, línea de fase, conductor de protección y limitadora. En esquema TNS considera la reactancia de la fuente, línea de fase y conductor de protección.****

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

Parte

2

Estudio Geoeléctrico del terreno

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

36 INGENIEROS RELATORES

2. LA PUESTA A TIERRA Las puestas a tierra son una importante componente de todo sistema eléctrico de alimentación, debido a su gran influencia en la estabilidad de la red, como en la seguridad de ios usuarios de esta. Su correcto estudio y dimensionamiento, constituye una preocupación dentro del desarrollo de cualquier proyecto eléctrico, por lo que se hace necesario contar con profesionales dedicados a estudiar este tema con la profundidad suficiente y con el grado de ingeniería conveniente. Resulta claro pensar, que si no se realiza en forma correcta el proyecto de un sistema de puesta a tierra, se está poniendo en peligro no solo la instalación eléctrica, si no que también, al usuario de esta. Respecto a esto último, la puesta a tierra debe participar en la desconexión del equipo fallado, antes de que el usuario llegue a entrar en contacto con este, como es el caso de los contactos indirectos. Un sistema de puesta a tierra debe presentar el menor valor de resistencia posible, frente a la circulación de una comente de defecto. Esta resistencia es ofrecida, en esencia, por las características que tiene el terreno en la proximidad del lugar en donde se instala la puesta a tierra. Debido a esto, dentro del diseño de una puesta a tierra es de suma importancia poder conocer la forma en como el suelo participa en el fenómeno de conducción de la corriente eléctrica.

2.2. LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO En general, el grado de oposición que presenta un terreno a la circulación de una corriente eléctrica, está dado por su resistividad, la cual podemos definir como la resistencia que presenta al paso de la corriente un cubo de terreno de un metro de arista. Se representa con el símbolo "p" (rho), y se mide en (ohm x mt).

Conocer la resistividad del terreno en donde se instalará el dispositivo de tierra en diseño, es la principal variable que define si la configuración elegida resulta ser la más adecuada según las necesidades de protección del sistema de tierra. La resistividad de los suelo es en extremo variable, y depende de múltiples factores, por lo tanto es necesario conocer para cada situación en particular el valor lo más real posible de la resistividad del terreno que corresponde, de modo de no diseñar en forma errada el sistema de tierra, ya que esto podría poner en riesgo a las personas y equipos de la instalación eléctrica en proyecto, o bien, aumentar innecesariamente el costo del dispositivo de tierra.

37

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.3. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DE LOS SUELOS La mayoría de los minerales que conforman los suelo son en general malos conductores, por lo que se dice que los suelos puros son de características aislantes.

)LA NATURALEZA DEL TERRENO El tipo o naturaleza del terreno determina en primer lugar su resistividad, lamentablemente no existe una clasificación perfectamente definida de terrenos, por lo que hay que limitarse a señalarlos en forma general. En una primera clasificación muy simple, puede decirse que gran parte de éstos están formados por distintas mezclas de arenas, arcillas y rocas. Dependiendo de la cantidad de agua contenida por los diferentes minerales y de sus características particulares, la resistividad de los suelos puede variar en cifras tan amplias como las dadas en la siguiente tabla :

tabla solo informativa y conceptual no aplicable a estudio de proyectos reales

)LA HUMEDAD DEL TERRENO La humedad del terreno también determina fuertemente su resistividad . El agua que contiene el terreno, su estado higrometrico , influye en forma apreciable sobre la resistividad. Siempre que se añada agua al terreno disminuye su resistividad respecto a la condición en seco.

saturado" cuando todos sus intersticios están llenos de agua. Una vez

Se dice que un terreno está "

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

38 INGENIEROS RELATORES

pasada la causa de la saturación, el agua contenida en los espacios entre los diferentes agregados, debido a la gravedad, se dirigirá hacia abajo quedando estos ínter espacios ocupados por aire en el interior, al ser superior la fuerza de la capilaridad que la gravedad. El agua contenida en ellos no se mueve y, en estas circunstancias, se dice que el terreno está "saturado de humedad". Por efecto de la evaporación natural de la superficie del terreno, se produce un empobrecimiento del agua contenida en los agregados, fenómeno que se propaga lentamente desde la superficie hacia los estratos más profundos. Este fenómeno tiene más importancia cuanto más seco sea el clima del lugar y cuanto más superficial es la ubicación de la puesta a tierra. Para una cierta región geográfica, el contenido de humedad del suelo, depende de sus características climáticas, por lo que en el proyecto de las puestas a tierra se debe considerar la época del año que ofrezca la peor condición. En épocas de lluvias el nivel freático se aproxima a la superficie del terreno, presentando éste una resistividad menor que en el periodo de sequía, en el que dicho nivel, se aleja en profundidad de la superficie. A lo largo del año se presentan variaciones estacionales que son más acusadas cuanto más próxima a la superficie se encuentra la puesta a tierra. Para poder mantener el valor de la resistividad lo más uniforme posible a lo largo del año, es conveniente instalar profundamente las puestas a tierra y, proteger dentro de lo posible, el suelo de las inclemencias del clima. A medida que se instalen las puestas a tierra a profundidades mayores, o bien, debajo de las cimentaciones del edificio, se tendrán más garantías de mantener estable el valor de la resistividad.

)LA TEMPERATURA DEL SUELO La temperatura del terreno también es un factor importante a considerar dentro del estudio de los factores que determinan la resistividad de los suelos. La tierra seca es un aislador excelente; al aire y al sol, las capas de arena seca de la superficie se acercan mucho a la condición de buen aislador. En general, el grosor de tales capas secas no es muy grande, alcanzan solo entre 10 y 20 centímetros. La escarcha tiene una penetración más profunda, entre 50 y 100 centímetros o más según el estrato, por lo cual, las tomas a tierra deben ser a mayor profundidad dado que el grado de humedad, tal como sabemos, es un factor esencial en la conductividad del suelo. Cuando la temperatura desciende por debajo de los 0°C, se produce un aumento rápido de la resistividad, esto es debido a que el hielo es un aislante.

39

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Para valores superiores al punto de congelamiento del agua e inferiores a 100°C, la resistividad de los suelos disminuye al aumentar la temperatura, por la mayor movilidad de los iones disueltos en el agua.

La siguiente tabla muestra la variación de la resistividad de un suelo compuesto de una mezcla de arcilla y arena con un 15% de contenido de agua.

)CONCENTRACIONES DE SALES La concentración de sales disueltas en el terreno, es un factor determinante en la resistividad del mismo. Al existir una mayor concentración de sal en el suelo, este mejora su conductividad, en forma general entonces, se podría establecer que a mayor contenido de sal en el terreno mejor conductor éste es. El agua disocia las sales en iones y cationes que se encargan de transportar los electrones por el terreno. Para comprender este fenómeno sólo tenemos que recordar el comportamiento eléctrico del agua. El agua destilada es aislante y aunque introduzcamos unos electrodos en el interior de un recipiente conectados a una batería, no circulará energía eléctrica a través de ella. Si al agua le añadimos compuestos salinos, por ejemplo, cloruro de sodio o sal común, comenzará a circular electricidad y a medida que añadamos más sal, circulara más electricidad; esto es debido a que los electrones se desplazan por el agua gracias a los iones disociados. En los lugares de lluvias estacionales hay que tener muy presente estos fenómenos, debido a que en la época de lluvias el terreno presenta una resistividad muy baja (la lluvia elimina la sal del terreno), mientras que en la época seca, la resistividad es muy alta.

)LA COMPACTACION DEL MATERIAL El grado de compactación que tenga el terreno en donde se instalará el sistema de tierras, influye apreciablemente en la resistencia de la configuración de electrodos a utilizar.

40

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Si el terreno presenta poca compactación y no se encuentra saturado de agua, los poros ínter granulares están en mayor medida llenos de aire, y el terreno tiene una resistividad relativa mayor. Si por el contrario, el mismo material es más compacto, los espacios ínter granulares son menores y eventualmente están llenos de agua disminuyendo su resistividad. Según esto, podemos concluir que a una mayor compactación del suelo, disminuye la distancia entre las partículas que lo conforman, logrando así, una mejor conducción a través del líquido contenido en éste.

)FACTORES DE NATURALEZA ELECTRICA Factores de naturaleza eléctrica pueden modificar la resistividad de un terreno. Los más significativos son el gradiente de potencial y la magnitud de la corriente de defecto a tierra. El primero afecta al terreno cuando el gradiente de tensión alcanza un valor crítico, de algunos kilo volts por centímetro, lo que puede originar la formación de pequeñas áreas eléctricas en el suelo que hacen que la puesta a tierra se comporte como si fuera de mayor tamaño. El segundo, la magnitud de la corriente de defecto a tierra, puede también modificar el comportamiento de la puesta a tierra si su valor es muy elevado, ya sea por provocar gradientes excesivos, o bien, por dar lugar a calentamientos alrededor de los conductores enterrados que provoquen la evaporación del agua del suelo.

)OTROS FENÓMENOS INFLUYENTES Otro fenómeno que hay que tener en cuenta es el deterioro más o menos significativo de las puestas a tierra, es el caso de cortocircuito franco, o la caída de un rayo que se canalice a través de la misma toma a tierra. En este caso, se deberá inspeccionar el estado de la puesta a tierra, para verificar si ha perdido sus características conductivas. Por todo lo expuesto anteriormente, la resistividad de los suelos es altamente variable, por lo que poseer un valor que se ajuste a todas las condiciones posibles de encontrar en la practica es imposible. Según esto cada vez que deba diseñarse un sistema de puesta a tierra, es de suma importancia conocer las características conductivas del suelo en donde esta será construida.

2.4. ESTUDIO DE TERRENOS. FUNDAMENTOS FISICOS Y SCHLUMBERGER Tal como hemos visto, la resistividad de los suelos depende de múltiples factores, razón por la cual, ésta debe determinarse para proponer la configuración del sistema de tierra más favorable para el emplazamiento elegido.

41

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Uno de los métodos mayormente utilizado en el estudio de terrenos, "es el de los cuatro electrodos", el cual consiste en inyectar una corriente alternada al terreno mediante un par de electrodos, y medir la diferencia de potencial que se produce en otros dos.

Esquema general para la medición del método de 4 electrodos Al inyectar una corriente eléctrica a un terreno por medio de un electrodo, se formará un campo eléctrico semiesférico en el suelo.

Campo eléctrico semiesférico producido por electrodo en el terreno El potencial del campo eléctrico en un punto cualquiera del terreno V(x) dado por la corriente I(w) inyectada en el suelo por el electrodo, se obtiene de la expresión :

42

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Si ubicamos un par de electrodos dentro del campo eléctrico mostrado en la figura anterior separados a una distancia "x" entre ellos y respecto al de inyección, podremos determinar la diferencia de potencial que se produciría entre ellos.

Diferencia de potencial entre 2 electrodos Como sabemos, el potencial de un campo eléctrico en un suelo esta dada por la expresión :

La diferencia de potencial AV entre los electrodos mostrados en la figura , estaría determinada por:

43

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Aplicando las consideraciones anteriores en el esquema del método de los cuatro electrodos mostrado en la figura , tendremos que :

Determinación de la ecuación general del método de los 4 electrodos Igualando las variables de la figura , y superponiendo efectos de ambos electrodos de corriente, se obtiene que la diferencia de potencial resultante entre V(G) y V(D) está dada por:

Si consideramos que I(B) posee la misma amplitud de I(A) pero con sentido de circulación opuesto, y que la diferencia de potencial V(G) - V(D) es registrada por el instrumento V, detendríamos que:

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

44 INGENIEROS RELATORES

Finalmente despejando, se obtiene la ecuación fundamental para la obtención de la resistividad mediante el método de los 4 electrodos :

Si la medida de terreno se efectúa en un medio homogéneo, entonces el valor de resistividad obtenido mediante la expresión anterior, corresponderá al valor único de resistividad presente en el suelo. Si el medio no es homogéneo, el valor de la resistividad tendrá un valor ficticio, que no corresponderá en general, a ninguna de las resistividades presentes en el suelo, sino a una cierta combinación de ellas. A este valor ficticio de resistividad se le llama resistividad aparente. La forma en como se desplazan los electrodos en el terreno para la obtención de las muestras de resistividad aparente, determina la configuración implementada, siendo la más difundida la de

45

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

CONFIGURACION SCHLUMBERGER En la configuración de Schlumberger, los dos electrodos de potencial se disponen simétricamente con respecto al centro de medición elegido, a una distancia de separación de 1 metro. Los electrodos de corriente se ubican también simétricamente con respecto al centro de medición y a una distancia de él, variable. Durante la serie de medidas, los electrodos de potencial permanecen fijos, trasladándose solo los electrodos de corriente.

Analizando la figura anterior podemos determinar la existencia de las siguientes igualdades que :

Utilizando las igualdades anteriores en la expresión general de la resistividad aparente, encontraremos la ecuación particular para el caso de la configuración de Schlumberger :

46

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Para la realización del sondeo de terrenos o también llamado sondeo eléctrico vertical (SEV), mediante la configuración de Schlumberger, se debe elegir un eje de medición sobre una línea recta, en una dirección tal, que no existan obstáculos importantes (rocas, árboles, edificios, matorrales, etc.), y sobre este eje establecer un centro de medición mediante un electrodo auxiliar o una estaca. En lo posible se deben realizar las mediciones directamente en el sitio donde se construirá la puesta a tierra, preferentemente una vez que el terreno haya sido despejado y llevado a su condición definitiva después de las faenas de movimiento de suelo. Si esto no es posible, debe dejarse un sector aproximadamente plano representativo del terreno de interés y sobre este realizar las mediciones. Para la separación "L" de los electrodos en la configuración entre el centro de medición y los electrodos de corriente, se utiliza normalmente la siguiente secuencia en metros :

0,6 - 0,8 - 1 - 1,6 - 2 - 2,5 - 3 – 4 - 5 - 6 - 8 - 10 - 16 - 20 25 - 30 - 40 – 50 mts Durante las mediciones es conveniente comprobar los valores de resistencia medida a lo menos en 2 escalas diferentes. Si los valores resultan muy diferentes, es posible un mal contacto de uno o varios de los electrodos de terreno, o bien, las baterías están agotadas. Es recomendable contar con formularios de formato estándar ( también llamados HOJA DE TERRENO), para tomar nota de los datos obtenidos durante la ejecución de las mediciones. Además de los antecedentes propios de la medición, es conveniente consignar en este formulario otros datos de características generales. RESUMEN DE ECUACIONES CONFIGURACIÓN SCHLUMBERGER ver aplicación pg. Nº 76

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

47 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.12

48

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.5. MEDICIONES, ESTRATOS, CURVAS ORELLANA &Y MOONEY, PAPEL LOG Los datos que entrega el instrumento que se utiliza para el sondeo de terrenos, son valores de resistencia de diferentes puntos del suelo, en función de la separación de electrodos. Estos datos deben insertarse en la expresión de Schlumberger para la obtención de la resistividad aparente para cada muestra del terreno. La forma como cambia esta al variar la separación entre electrodos, da la pauta para interpretar y determinar la constitución del terreno investigado. Los terrenos en general, se componen de varios estratos horizontales (o con cierta inclinación), compuestos de materiales de distinta constitución, por lo que su resistividad varía notoriamente con la profundidad. Es importante entonces que el lugar de medición esté alejado de zonas con pendientes pronunciadas, debido a que esto podría inducir un alto grado de error en la interpretación de los datos obtenidos, lo que podría derivar en un mal diseño del sistema de puesta a tierra. De no existir otra alternativa de medición, es recomendable realizar la medición en una línea perpendicular a la dirección de la pendiente, alejándose lo más posible de ésta. Los sondeos eléctricos verticales constituyen uno de los métodos de campo más difundidos para determinar la variación en profundidad, de las propiedades conductivas del subsuelo. La distribución vertical de las resistividades dentro de un volumen determinado del subsuelo, recibe el nombre de corte geoeléctrico. Para muchos fines, la geología bajo la superficie puede representarse aproximadamente por un corte geoeléctrico constituido por una sucesión de capas uniformes y horizontales.

Corte geoelectrico de terreno de n capas o estratos

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

49 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

En la figura , los espesores de cada una de las capas se designan con las letras "E" y las profundidades al muro de cada una de ellas están representadas por la letra "h". Las resistividades verdaderas de las diferentes capas se simbolizan por la letra griega "p". Los cortes geoeléctricos pueden clasificarse según su número de capas, y subdividirse conforme la ley de variación de la resistividad con la profundidad. Los suelos de 2 capas presentan dos posibles cortes según si la resistividad del primer estrato es mayor o menor que la del segundo.

Corte geoelectrico de terreno de 2 capas Para el caso de los cortes geoeléctricos de tres capas, estos pueden agruparse en cuatro tipos, según lo mostrado en la figura

50

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Corte geoelectrico de terreno de 3 capas

CORTE GEOELECTRICO DE 4 CAPAS Los cortes de cuatro capas pueden dividirse en ocho tipos distintos, los que se designan mediante una combinación de los símbolos para tres capas. Tipo

AA

Pl < P2 < P3 < P4

Tipo

AK

Pl < P2 < P3 > P4

Tipo

HA

Pl > P2 < P3 < P4

Tipo

HK

P1 > P2 < P3 > P4

Tipo

KH

Pl < P2 > P3 < P4

Tipo

KQ

P1 < P2 > P3 > P4

Tipo

QH

P1 > P2 > P3 < P4

Tipo

QQ

P1 > P2 > P3 > P4

51

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

En general, un corte de "n" capas puede clasificarse en uno de 2"'1 tipos posibles, los cuales se identifican mediante n-2 letras de las utilizadas para designar los cortes de tres capas. Según lo indicado al inicio de esta sección, la medición de terreno arroja el valor de resistencia de distintos puntos del terreno según una separación dada entre los electrodos de medida. Esta resistencia (R), y la separación d9 electrodos de potencial (a), y comente (L), deben insertarse en la expresión particular de la resistividad aparente de la configuración de Schlumberger. En este parte del proceso se debe confeccionar el denominado tablero de valores, el que es parte integrante del informe técnico de sondeo de terreno. Un ejemplo del tablero de valores utilizado para la configuración de Schlumberger, se entrega a continuación:

Desde el punto de vista de la teoría geoeléctrica, debe distinguirse entre el problema interpretativo directo y el inverso. El primero tiene una solución única, mientras que el segundo no. El problema directo se plantea de la siguiente forma: "dado un corte geoeléctrico, calcular la curva de SEV que se obtendrá sobre él con un dispositivo electródico determinado".

Stefanesco (1930),

La formula básica para realizar el problema anterior se debe a la que fija la distribución del potencial "V" sobre la superficie de un semiespacio estratificado a una distancia "r" de un manantial puntual de corriente de intensidad (I):

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

52

WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

En la expresión indicada "pi" es la resistividad de la capa superficial, "jo" es la

función de Bessel de

primera clase en orden cero y "O" es la función núcleo (Kernel function), que depende de las resistividades y espesores de las capas y del parámetro de integración "t". V(r) se reduce a la ecuación indicada en la sección anterior, para un medio homogéneo.

Ernesto Orellana

La ecuación general presentada anteriormente, fue la pauta de análisis utilizado por y Haroíd Mooney en su publicación "Master cables and Curves for Vertical Sounding over Leyered Structures", información Hue en la actualidad es la mayormente utilizada para la interpretación de mediciones de terrenos realizada por medio de la configuración de Schlumberger.

El problema inverso puede plantearse de este modo: "dada una curva SEV obtenida mediante mediciones de campono y cálculo teórico de resistividad,averiguar cuál es el corte geoeléctrico que la ha producido. Problemas de este tipo son los que se le presentan al proyectista de puestas a tierra. El método actualmente en uso tanto en nuestro medio como en el extranjero para la interpretación de las mediciones de terreno, es el denominado de las " Curvas Patrones". Esta forma de interpretación de las medidas de resistividad de un terreno, es la más exacta y recomendada. Consiste en realizar una comparación entre una gráfica confeccionada con los datos obtenidos de las mediciones de terreno, versus, la información contenida en la publicación de Orellana y Mooney indicada anteriormente. Si se obtiene un calce perfecto entre la curva de terreno y una curva patrón, se supone que la estructura del terreno es idéntica a la teórica en cuanto a resistividad de los estratos y sus espesores. Para poder interpretar los datos obtenidos de las mediciones de terreno mediante el método de las curvas patrones, primero se debe confeccionar una gráfica representativa de las mediciones de terreno, ubicando en el eje de las abscisas la distancia "L" y en la ordenada la resistividad aparente. Estos datos se deben graficar sobre un papel logarítmico, el que debe tener una modulación de 62,5 milímetros por cada década. Una gráfica de suelo se muestra en la figura siguiente.

53

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Ejemplo gráfica de suelo El paso siguiente que sugiere el método, consiste en identificar la cantidad de estratos que tiene el terreno sondeado, y establecer como varían las resistividades de estos entre sí. Para lograr esto, se deben buscar los puntos de inicio y termino de la curva de terreno, además de los puntos en donde ésta cambia de sentido.

Ejemplo de determinación de cantidad de capas de un terreno según su curva

54

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Según la información de figura , la curva indicada corresponde a un terreno compuesto de cuatro capas. Conocido lo anterior, se debe establecer como se relacionan entre sí, las resistividades de los diferentes estratos presentes en el suelo en el terreno sondeado.

Ejemplo de determinación de la razón de resistividad de un terreno según su curva Con la razón de resistividad indicada en la figura , se procede a determinar la familia de curvas representativa del terreno sondeado. Para nuestro ejemplo corresponde a uno de cuatro capas. Tipo HK

: p1 > p2 < p3 > p4

Según la familia a la cual pertenece la gráfica del terreno, se debe buscar en el set de Orellana y Mooney, la curva patrón visualmente más semejante.

1 - 0,2 – 5 - 1

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

55 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Ejemplo de Curva Patrón de 4 estratos tipo HK El procedimiento siguiente es comparar la gráfica de terreno con la curva patrón que más se asemeje a ésta.

Ejemplo de comparación de curvas

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

56 INGENIEROS RELATORES

Una vez seleccionada la curva patrón más parecida, se marcan los datos señalados en la figura anterior y se retira la gráfica

Ejemplo de Curvas comparadas y elegida HK-5

A cada uno de los datos anteriores se le asignan nombres y se extienden los ejes de la cruz de campo

Ejemplo de asignación de variables

57

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

PAPEL LOGARITMICO DE 62,5 mm/décadas Datos resistividad aparente Y ( ohms-metros ) y separación de eléctrodos X

GRAFICA DE TERRENO

Resistividad aparente ohm x mt

Distancia L en mts

58

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

CURVAS PATRON DE ORELLANA & MOONEY Una muestra. Se trata de un SET de CURVAS provenientes de estudios Geofísicos realizados a los diferentes estratos del terreno.

59

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Finalmente, con los antecedentes anteriores ya determinados, se procede a calcular la resistividad y los espesores del terreno sondeado. Para nuestro ejemplo:

(D)

Resistencia de las Puestas a Tierra Cuando se trató el tema del sondeo eléctrico vertical, se dejo claro que este estudio solo nos daba como resultado final, la resistividad y los espesores de los diferentes estratos que componen el terreno investigado, pero para poder determinar la resistencia teórica de una puesta a tierra, se necesita como uno de los antecedentes de entrada una variable que represente una resistividad única, representativa de la acción conjunta de las distintas resistividades de los estratos presentes en el área a ocupar por dicho sistema. A esta variable se le denomina Resistividad Equivalente.

2.6. RESISTIVIDAD EQUIVALENTE DEL TERRENO. YAKOBS y BURGSDORF La resistividad equivalente será única cuando se trate de un terreno homogéneo, debido a que ésta, no sólo depende de las características eléctricas y del espesor de los estratos presentes en el suelo, si no que, además, depende de la configuración geométrica de la puesta a tierra. De acuerdo a Yakobs, una puesta a tierra compuesta por un conjunto de conductores horizontales enterrados a una profundidad "t" y un conjunto de barras verticales de longitud "L", se aproxima a un prisma metálico recto en la medida que se incrementa el número de elementos verticales, y su resistencia disminuye hasta un valor mínimo. Este prisma metálico puede aproximarse por un semielipsoide de revolución ubicado a partir de la superficie del terreno, tal como se muestra en la figura . El semielipsoide cubre una superficie "S" igual a la abarcada por la puesta a tierra, y su eje menor "b" es igual a la profundidad máxima alcanzada por los elementos: si existen barras; o si solo existen conductores horizontales.

he=t

he=t+L,

60

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Esquema representativo del criterio de Yakobs Sobre la base de esta equivalencia aproximada, las primeras "n" capas existentes hasta la profundidad "he" se puede reemplazar por una capa equivalente de resistividad: Formula de Resistividad equivalente por YAKOBS y BURGSDORF

2.7. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO MALLA A TIERRA Tomando como base las expresiones dadas anteriormente a continuación se entrega el procedimiento de calculo recomendado para determinar la resistividad equivalente de un terreno sondeado (asumiendo que ya se conocen las resistividades y espesores de los estratos).

61

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

La cantidad de valores de "v¡" a calcular es función de la cantidad de capas que tenga el terreno, por ejemplo, para un suelo de 3 capas se calculan V1 , V2 y V3. La expresión para todos los valores de "v¡" es equivalente, difiriendo solamente en la profundidad a

utilizar, por ejemplo, para v-i se utiliza h-i, para V2 se usa h2 y de esta forma sucesivamente.

62

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

2.8. RESISTENCIA DE UN ELECTRODO VERTICAL Esta configuración de puesta a tierra, tiene como principal defecto el hecho de que su resistencia es bastante elevada. Por ejemplo, y tomando como base A una resistividad del terreno de 100 ohmxmt, la resistencia de una electrodo de 1,5 mts. por 3/4" diámetro alcanza en promedio a los . Debido a esto, se recomienda su uso solo en el caso de que se complemente con dispositivos diferenciales.

60 ohms

La ecuación que permite determinar su resistencia es :

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

63 INGENIEROS RELATORES

2.9. RESISTENCIA DE UNA MALLA HORIZONTAL Este tipo de configuración, a diferencia de la anterior, presenta la ventaja de que se pueden conseguir valores de resistencia bastante más pequeños, pero a un costo mayor. Para el cálculo de la resistencia de un enmallado o también denominado malla de puesta a tierra, existen dos alternativas de estudio y cálculo, una por el método de LAURENT y la otra por el método de SCHWARZ.

2.10. MÉTODO DE LAURENT Este método de cálculo solamente considera como parámetros fundamentales de la malla, los concernientes a la longitud del conductor que la conforma, y el radio equivalente de la misma. Debido a esto, algunos autores nombran a este método como el "método aproximado" de Laurent. La expresión que permite determinar la resistencia de la malla de puesta a tierra mediante este método, es la siguiente:

64

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.11. MÉTODO DE SCHWARZ. CALCULO DE RPT Este método de cálculo a diferencia del anterior, considera tanto las características del terreno, como las concernientes a la malla, debido a esto, al

método se le llama "exacto".

Las expresiones de calculo que permiten determinar la resistencia de una malla mediante Schwarz, se presentan en la página siguiente.

Donde: RMS

: Resistencia de la malla según Schwarz (ohms)

peq

: Resistividad equivalente (ohm x mt )

Lm

: Largo del conductor de la malla (m)

S

: Superficie de la puesta a tierra (m2)

d

: diámetro del conductor de la malla (m)

he

: Profundidad de enterramiento de la puesta a tierra (mt)

A

: Longitud por el lado de mayor dimensión de la malla (mt)

B

: Longitud por el lado de menor dimensión de la malla (mt)

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

65 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

1.2.

66

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT Y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

1.12. SECCION MINIMA CONDUCTOR DE MALLA, FORMULA DE ONDERDONK

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.13.

ESTUDIO GEOELÉCTRICO DE LOS SUELOS

Véase Norma SEC 4-2003 Protocolos Apéndice 7.2.

2.1.

67

68

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

2.14.

2.13

R = Resistencia del Geohmetro ( ohm )

DISTANCIA DE ELECTRODOS DE CORRIENTE

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

69 INGENIEROS RELATORES

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

70 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.15.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

71 INGENIEROS RELATORES

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

72 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.16. INFORMACION OBTENIDA EN TERRENO

73

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

2.17. RESISTENCIAS DE MUESTRAS y RESISTIVIDAD APARENTES. Calculo.

74

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

VER PAPEL LOGARITMICO PARA TERRENO

OBTENCION DE LA GRAFICA CON LOS PUNTOS DE MEDIDA DE LA RESISTIVIDAD APARENTE Y SEPARACIÓN L 12 MUESTRAS

75

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.18.

>

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

76 INGENIEROS RELATORES

77

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.19.

MASTERS CURVES ( PATRON ) ORELLANA & MOONEY

VER EJEMPLO DE CURVAS

2.17. COMPARACIÓN DE GRAFICA DE TERRENO OBTENIDA Vs CURVAS DE ORELLANA & MOONEY

78

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

CURVA ELEGIDA numero 3

OBTENCION DE RESISTIVIDAD AUXILIAR y ESPESOR AUXILIAR DEL TERRENO

Obtenciones de la Resistividad de los estratos y espesores finales del terreno

79

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.2. FORMULA DE CALCULO BURGSDORF- YAKOBS

F : Variable que depende de las dimensiones físicas del terreno elegido para enterrar el electrodo puesta a tierra. Podemos concluir en lo siguiente : F ( Vf(qf(r,he),E, ro), ro f(r f(s) ,he)

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

2.21.

80

HOJA PARA EL ESTUDIO Y DATOS OBTENIDOS DEL TERRENO

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

81 INGENIEROS RELATORES

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

Parte

3

Diseño del electrodo malla a tierra en BT

83

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

3.1. ANALISIS PARRAFO Y TABLA NORMA NCH4-2003

Para la selección y disposición de los electrodos de tierra se tendrá en cuenta la calidad del suelo, parámetros eléctricos del sistema y la superficie de terreno disponible. La resistencia de puesta a tierra de un electrodo dependerá de la resistividad especifica del terreno en que éste se instale. En la tabla Nº 10.24 se muestran las resistencias obtenidas con distintos tipos de electrodos de diversas dimensiones, enterrados en un terreno homogéneo de . En relación a la Norma SEC 4/2003 debemos

100 Ohm x metro de resistividad

considerar lo siguiente :

Para valores de resistividad específica del terreno distinto de 100 Ohm x metro se multiplicará el valor indicado en esta tabla por la

razón n/100.

Se aceptará el uso de las barras de hormigón armado de zapatas y vigas de fundación de edificios como electrodos de tierra, siempre que la longitud total de estas barras no sea inferior a 15 m, su profundidad de enterramiento no sea inferior a 0,75 m, y su diámetro no sea inferior a 10 mm. La longitud requerida puede obtenerse con una o más barras. Las uniones entre las barras embutidas en el hormigón y entre éstas y su conexión al exterior se harán mediante soldaduras de alto punto de fusión.

soldadura oxi - acetileno y la soldadura por reacción

NA.- Las soldaduras de alto punto de fusión disponibles son la exotérmica Otros tipos de electrodos de tierra posibles de utilizar serán los siguientes: • Electrodos de cable o de cinta enterrados adoptando algunas de las disposiciones indicadas en la

Véase HOJA DE NORMA Nº 16. ANULAR

ELECTRODO ENMALLADO – ELECTRODO RADIAL – ELECTRODO

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

•

84 INGENIEROS RELATORES

Electrodos de barra, formados por barras redondas, tubos o perfiles metálicos enterrados en forma vertical. Si para obtener la resistencia de puesta a tierra exigida es necesario enterrar más de una barra, la distancia entre

ellas deberá ser como mínimo el doble del largo de cada una. •

Electrodos de plancha, formados por planchas metálicas corrugadas o lisas, continuas o perforadas, enterradas en el suelo en forma vertical. Las dimensiones mínimas recomendadas para estas planchas son de 0,5 m x 1 m y 4 mm de espesor. Si es necesario colocar varias planchas para obtener la resistencia de puesta a tierra exigida, la distancia mínima entre ellas será de 3 m.

Se podrá usar también como electrodo de tierra un conductor de cobre desnudo con una sección mínima de 16 mm2 y de una longitud no inferior a 20 m, colocado a lo largo de los cimientos de una construcción y cubierto por el hormigón de éstos. El conductor será colocado en la parte más baja del cimiento y deberá estar cubierto por un mínimo de 5 cm de hormigón. La resistencia de la puesta a tierra podrá medirse utilizándose un instrumento adecuado para tal efecto, o bien mediante un voltímetro y un amperímetro. En caso de utilizar este último método, deberán

Véase hoja de norma Nº 17. cumplirse las condiciones y adoptar la disposición mostrada en la NA.- Se reconoce como instrumentos adecuados para las mediciones de resistencia de puesta a tierra a los geóhmetros de tres o cuatro electrodos, presentando los últimos la ventaja de permitir además la medición de la resistividad específica del terreno La responsabilidad por el correcto diseño y construcción de una puesta a tierra corresponderá al proyectista y/o instalador a cargo del montaje de la instalación. El mantenimiento de las características de operación de la puesta a tierra será de responsabilidad del usuario de la instalación, así como también serán de su exclusiva responsabilidad los daños a personas, y daños o fallas de funcionamiento de la instalación o equipos, que sean atribuibles a un deterioro o ausencia de la puesta a tierra.

85

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Diseño Preliminar Como hemos visto en las ecuaciones que definen el calculo de la resistividad equivalente, el antecedente primario, es la superficie y características de la malla de puesta a tierra, información, que el proyectista del sistema ya debe tener definido, sobre la base de los parámetros indicados a continuación.

3.2. MALLAS TIPICAS SUPERFICIE. Resistencia a tierra. Para determinar la superficie de la puesta a tierra en el caso de mallas, no existe una ecuación general que sirva para este efecto. Principalmente la definición de la superficie de la malla depende del área disponible, tipo de terreno y la experiencia del proyectista.

RECOMENDACIONES SUPERFICIES DE MALLA TIPICAS A continuación se presentan algunas recomendaciones de superficie de mallas, en función del tipo de terreno en el caso de querer conseguir una .

resistencia máxima de 5 ohms

- Para terrenos con una resistividad promedio de 50 (ohm x mt).................... 16 m2 - Para terrenos con una resistividad promedio de 100 (ohm x mt)................... 25 m2 - Para terrenos con una resistividad promedio de 150 (ohm x m)................... 100 m2

Conexiones a la Puesta a Tierra Mediante cables continuos de secciones adecuadas y uniones que garanticen un 100% de conductividad, deberán conectarse a la puesta a tierra los siguientes elementos: •

Todas las partes metálicas que normalmente no conducen corriente, pero que accidentalmente por fallas de aislación, pueden quedar energizadas.

•

Pararrayos, condensadores de acoplamiento, cuando corresponda los neutros de los transformadores, máquinas rotatorias y circuitos secundarios de poder.

86

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Para lograr este resultado se deben determinar previamente los puntos A1, A2 y A3 que son los siguientes 3.3. CALCULO DE RESISTIVIDAD EQUIVALENTE DEL TERRENO

A2. Obtención de las variables F1, F2 y F3

87

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

CALCULO DE V1, V2 y V3 1 2

1

1

4

Reemplazando valores : 1 4,39 2

1

0,36

2,76 –

4,39

0,36

2,76

4 4,39

2,76

V1 = 2,74 1

2

1

2

4

Reemplazando valores : 1 4,39 2

0,36

1,08

2,76 –

4,39

0,36

1,08

2,76

4 4,39

2,76

V2 = 2,56 Y para la variable V3 : 1 2 1 4,39 2

1

0,36

2

3

1,08

∞

1

2,76 –

4,39

2

0,36

3

1,08

V3 = 0

CALCULO DE F1, F2 y F3 1

1

,

1

1

,

1

1

,

,

,

= 0,12 = 0,37 =1

4

∞

2,76

4 4,39

2,76

88

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Resistencia Puesta a tierra según criterio SCHWARZ

3.3.

CALCULO MALLA PUESTA A TIERRA según SCHWARZ

89

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

A3. Obtención de variables K1 y K2 También se pueden obtener por Tabla K1,K2

OBTENCIÓN DE K1 y K2 POR TABLA Para electrodo a tierra tipo Malla Sup. Malla “ S” mt2

A/B = 1 razón largo Ancho

K1 20 40 60 80 100 150 200 250 300 350 400 450 500 750 1000

1,0774 1,1678 1,2078 1,2317 1,248 1,2733 1,2884 1,2987 1,3063 1,3122 1,317 1,3209 1,3243 1,3356 1,3424

A/B = 1 razón largo Ancho

A/B = 2 razón largo Ancho

A/B = 2 razón largo Ancho

A/B = 3 razón largo Ancho

A/B = 3 razón largo Ancho

A/B = 4 razón largo Ancho

A/B = 4 razón largo Ancho

A/B = 5 razón largo Ancho

K2

K1

K2

K1

K2

K1

K2

K1

4,4425 1,0334 4,4584 0,9894 4,4742 0,9454 4,49 0,9014 4,7961 1,1238 4,8513 1,0798 4,9064 1,0358 4,9616 0,9918 4,9529 1,1638 5,0254 1,1198 5,0979 1,0758 5,1704 1,0318 5,0463 1,1877 5,1292 1,1437 5,2121 1,0997 5,295 1,0557 5,11 1,204 5,2 1,16 5,29 1,116 5,38 1,072 5,2091 1,229 5,3101 1,1853 5,4111 1,1413 5,512 1,0973 5,2681 1,2244 5,3757 1,2004 5,4833 1,1564 5,5908 1,1124 5,3085 1,2547 5,4205 1,2107 5,5326 1,1667 5,6446 1,1227 5,3382 1,2623 5,4536 1,2183 5,5689 1,1743 5,6843 1,1303 5,3614 1,2601 5,4793 1,2242 5,5072 1,1802 5,7151 1,1362 5,38 1,273 5,5 1,229 5,62 1,185 5,74 1,141 5,3954 1,2769 5,5172 1,2329 5,6389 1,1889 5,7606 1,1449 5,4085 1,2803 5,6317 1,2363 5,8548 1,1922 5,778 1,1483 5,4528 1,2916 5,5809 1,2476 5,709 1,2036 5,8371 1,1596 5,47 1,2984 5,6102 1,2544 5,7413 1,2104 5,8723 1,1664 Nota : tabla calculada para mallas con conductores enterrados a he = 0,6 mts

A/B = 5 razón largo Ancho

K2 4,5059 5,0167 5,243 5,3779 5,47 5,6131 5,6984 5,7567 5,7997 5,8331 5,86 5,8823 5,8912 5,9652 6,003

90

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

CALCULO DE ELECTRODO VERTICAL ( BARRA COBRE CU ) EN UN TERRENO DE RESISTIVIDAD 100 OHM x ·MT ( VER NORMA SEC )

3.5.

3.6. CALCULO MALLA A TIERRA, SEGÚN METODO DE LAURENT, EN TERRENO DE RESISTIVIDAD 30,72 OHM x MT

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

91 INGENIEROS RELATORES

92

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

3.7. MATERIALES, UNIONES Y PUNTOS DE MEDICION Existen dos alternativas de unión entre los conductores de la malla de puesta a tierra, uno es el denominado prensas y el otro es el sistema denominado como termofusión. En la práctica, no se recomienda el uso de prensas para la unión de los conductores de puesta a tierra, debido a que no ofrece un grado de unión adecuado entre los conductores, lo que trae como consecuencia un aumento de la resistencia de contacto. Preferentemente entonces, se deberá preferir realizar las uniones entre los conductores de la puesta mediante termofusiones.

Molde de grafito para soldaduras por termofusión Los procesos de termofusión se basan en reacciones químicas de Oxido-reducción. En el proceso de termofusión aplicado a la unión de conductores de cobre, la reacción es la siguiente: Oxido Cobre + Aluminio = Cobre + Oxido Aluminio + H La gran cantidad de energía generada (H), funde el cobre que cae en forma de colada de fundición, en tanto que el Oxido de Aluminio arrastra impurezas, y por su menor densidad sube como escoria. El polvo de soldadura es una mezcla de óxido de cobre y aluminio, cuya reacción exotérmica produce metal fundido. El cobre fundido fluye a través del canal sobre los conductores, fundiéndolos y soldándolos. Esta unión así obtenida es de gran estabilidad físico - química en el tiempo, y altamente resistente a las solicitaciones térmicas y eléctricas a las cuales puede ser sometida.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

93 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

MOLDES PARA SOLDAR

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

94 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

DE LAS JUNTURAS DEL ELECTRODO MALLA

95

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Punto de Medición La resistencia de puesta a tierra de un electrodo, un conjunto de electrodos o una malla, deberá poder medirse sin dificultades. Para cumplir lo anterior, se debe dejar por lo menos un punto de la puesta a tierra accesible, adoptándose una disposición como la mostrada en la siguiente figura:

Semicamarilla de registro 3.8. MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DE LAS PUESTAS A TIERRA Para efectuar la medición de la puesta a tierra, se utiliza el mismo instrumento empleado para el estudio de terreno. Debe tenerse la precaución entes de medir, de desenergizar la instalación y retirar todas las conexiones a la puesta a tierra. Para conocer el valor de la resistencia de una puesta a tierra ya instalada, se deberá seguir el siguiente procedimiento: (1) Uno de los electrodos de corriente del instrumento se debe conectar al dispositivo de tierra a través de la camarilla de registro.

Medición de la Resistencia puesta a Tierra Rpt Se debe conectar un borne de potencial, al borne de corriente indicado anteriormente

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

96 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Medición de la Resistencia de las puestas a tierra Rpt El otro borne de corriente se conecta al terreno a través de un electrodo auxiliar, a una distancia (d),

recomendada de 20 metros

Medición de la Resistencia de las puestas a tierra Rpt El tercer borne del instrumento (potencial), se conecta a través de un segundo electrodo auxiliar al terreno, y se desplaza sucesivamente entre los electrodos de corriente a una distancia (L).

Medición de la Resistencia puesta a tierra Rpt

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT

97 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Finalmente con la distancia de separación del electrodo de potencial (tercer electrodo del instrumento), y los valores de resistencia indicados por este, se procede a confeccionar una gráfica de resultados. En donde la curva representativa de la medición adquiera un valor horizontal sostenido, se entenderá que éste es el valor de la resistencia de la puesta a tierra en estudio

Curva para la determinación de la resistencia Rpt

3.9. MEJORAMIENTO DEL TERRENO Y ELECTRODO Dependiendo del tipo de dispositivo de tierra, grado de disminución de resistencia y costo asociado, existen diferentes alternativas para poder reducir el valor de resistencia de una puesta a tierra. Los parámetros de mayor influencia en la resistencia de una puesta a tierra son : • La resistencia propia del sistema de puesta a tierra o resistencia de contacto, dada por sus características físicas. • La resistividad del suelo, dada por las características conductivas de éste. La resistencia de un sistema de puesta a tierra, entonces, podrá mejorarse atacando las situaciones anteriormente descritas, mediante las siguientes posibilidades : - Modificando la resistencia propia del sistema. - Modificando la resistividad del terreno.

De Contacto en Electrodos Verticales En el caso de que un solo electrodo no sea suficiente para cumplir con un valor adecuado de resistencia de puesta a tierra, una práctica útil es la de utilizar con el fin de proveer trayectorias paralelas de corriente a tierra.

varias barras verticales

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

98 INGENIEROS RELATORES

En este caso, el sistema de puesta a tierra tenderá a asemejarse a un circuito resistivo paralelo, con lo que la resistencia total de la puesta a tierra, disminuiría en función de la cantidad de barras verticales interconectadas. Lo anterior expresado en formula, adopta la siguiente estructura :

Rf Resistencia final ohms K Constante de combinación Re Resistencia de 1 electrodo ohms Ne Numero de electrodos en paralelo

La distancia de separación entre electrodos paralelas, debe ser igual al doble de la longitud del electrodo utilizado.

3.10. MALLA Y ELECTRODOS VERTICALES. CALCULO Como la resistencia de la puesta a tierra es una resistencia de contacto, para bajarla bastará solo con aumentar la superficie de contacto entre el suelo y los conductores que forman la malla de puesta a tierra. Para lograr lo anterior, solo es necesario aumentar el diámetro de los conductores de la malla y el área cubierta por la misma. Es claro que esta solución es antieconómica, por lo tanto poco práctica. Otra alternativa es usar una combinación entre conductores enmallados y electrodos verticales con el fin de conseguir una resistencia de menor valor, comparativamente con la lograda al haber utilizado la malla sola. Si la resistencia de la malla determinada por Schwarz la denotamos como RMS, y la resistencia de los electrodos como Re, tenderemos que las expresiones que permiten determinar la resistencia total del conjunto malla - electrodos son las siguientes:

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

99 INGENIEROS RELATORES

3.6.3 Modificación de la Resistividad del terreno Como sabemos, la conducción en el suelo es iónica y no electrónica como es en el caso de los conductores metálicos, por lo tanto, para bajar la resistividad de un terreno, bastará con adicionar iones al suelo.

1. SALES QUIMICAS Existen varias formas de realizar el acondicionamiento de un terreno, una de ellas es utilizando diversas sales químicas como lo son el sulfato de cobre, sulfato de sodio, sulfato de magnesio, carbonato de sodio, cloruro de sodio, etc.; sin embargo, este tipo de mejoramiento pierde efecto al cabo de varios meses debido a que las lluvias y la porosidad del suelo hacen que estos compuestos se disuelvan y migren totalmente.

2. DERIVADOS DEL CARBONO

Otros materiales utilizados en la reducción de la resistividad del terreno son los derivados del carbono, los cuales cuando son llevados a diámetros de una granulometría muy pequeña proporcionan elementos estabilizadores de muy baja resistividad.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA PUESTA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

100 INGENIEROS RELATORES

3. ARCILLAS Las arcillas osmóticas por su propiedad de retener el agua durante largos periodos de tiempo también son utilizados en el tratamiento de suelos, sin embargo hay que tener cuidado con la contracción y expansión de estas arcillas en los periodos de lluvia y sequía.

4. BARRAS QUIMICAS Otro de los métodos de modificación de la resistividad de los terrenos es el uso de barras químicas, la que es ideal en el caso de suelos que presentan una elevada resistividad y tienen dimensiones físicas reducidas como para utilizar una malla de una superficie importante. Las barras químicas consisten en un electrodo tubular fabricado con cobre electrolítico, con el fin de que el oxido formado en su superficie sea buen conductor. Este tubo esta relleno con sales minerales, las cuales se saturan con el aire y se disuelven lentamente, saliendo al terreno por orificios diseminados a lo largo del tubo; minando con estas sales la hemisferia de influencia, proveyendo así el electrolito necesario para una buena conductividad.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

Parte

4

Diseño del electrodo malla a tierra en MT

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT

102 INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

4. DISEÑO DE PUESTA A TIERRA EN MEDIA TENSIÓN ( 12 – 23KV )

Los principios generales de operación de una puesta a tierra de protección expuestos para realizar el caso de baja tensión, son válidos para AT. En las subestaciones receptoras de las Empresas de Distribución, los transformadores que bajan la tensión de transmisión ( 220KV, 154KV, 66 KV ), a tensiones de distribución ( 12KV, 13,2KV, 15KV, hasta 22KV ) tienen su secundario conectado generalmente en estrella con su neutro puesto a tierra, de esta forma, cuando algún equipo operando en las líneas de distribución primaria tiene una falla de aislación, su carcaza queda a una tensión respecto del suelo del orden de 7 kV. En tales condiciones, si las mencionadas carcazas se conectan a tierra de protección se formará también un circuito en que quedan conectadas en serie las resistencias de la puesta a tierra de servicio de la subestación receptora, la resistencia de la puesta a tierra de protección del equipo fallado y las impedancias de las líneas de alimentación, la única diferencia con el caso de baja tensión está en la magnitud de voltaje aplicada al circuito equivalente de falla, la cual en este caso hará circular corrientes que harán operar las protecciones en tiempos siempre inferiores a los 3 seg. , de modo que la falla se podrá considerar siempre transitoria y no permanente como en el caso de BT ; en tales condiciones, la corriente tolerable por el cuerpo humano obedecerá a la ecuación de 4.1.

DALZIEL

y la tensión de seguridad no será de 50V, sino que será aquella que haga circular a través del cuerpo de la persona afectada un valor de corriente no superior al determinado, de acuerdo a la mencionada ecuación. Si analizamos con detención la forma en que una persona puede ser afectada por una falla a tierra, concluiremos necesariamente que al estar en la zona del electrodo, se presentan 2 posibilidades. Una de ellas, es la aparición de un voltaje entre ambos pies y su condición más desfavorable se presenta en el instante en que estos están se parados en la distancia de un paso, y la otra, es la posibilidad de tocar con la mano una carcaza energizada en cuyo caso la tensión queda aplicada entre las manos y los pies y su condición mas desfavorable se presenta cuando el brazo está estirado a su máximo alcance. En las figura siguiente se muestran gráficamente estas dos situaciones y se indican los respectivos circuitos equivalentes.

103

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

La primera condición analizada, corresponde a la aplicación de un voltaje de paso, diversas normas concuerdan al considerar como 1 mt el máximo de alcance de un paso ; la segunda condición, corresponde a la aplicación de un voltaje de contacto y las normas coinciden también, en señalar 1 mt

como máximo alcance del brazo. 4.2. NCH 4/2003

VOLTAJE DE PASO

Véase Hoja Norma figura 1 . Gradiente de Potencial

VOLTAJE DE CONTACTO

Calculando en el circuito equivalente la caída de voltaje que se produce entre ambos pies, la cual será el valor de la tensión de paso de acuerdo a la ley de Ohm :

Rc : Resistencia del cuerpo humano. Se usará 1.000 ohm, para una peor condición. Rp : Resistencia de contacto de los pies con el suelo se la supone igual a 3ρ s por cada pie ; Ic : Corriente de falla que circula por el cuerpo humano.

ρs

la resistividad del terreno.

Si cumplimos la condición de que Ifalla no exceda el valor máximo permisible de acuerdo a la ecuación de Dalziel, se obtendrá la siguiente relación que nos dará el máximo voltaje de paso permisible :

4.3 VOLTAJE DE PASO

siendo t el tiempo de duración de la falla.

104

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

De manera similar, podemos calcular la tensión de contacto, la cual en el circuito equivalente está dada por la caída de voltaje :

VOLTAJE DE CONTACTO Los valores dados por las ecuaciones de voltaje de contacto y paso son los máximos valores de paso y de contacto que una persona puede soportar sin traspasar el umbral de la fibrilación ventricular, reiterando que se ha considerado este umbral como la condición más peligrosa en este tipo de fallas por cuanto para los tiempos previstos da operación de las protecciones, que deberán ser inferiores a 3 seg. Los otros efectos de la corriente sobre el cuerpo humano, no alcanzan a presentarse o carecen de peligrosidad. De la comparación de ambos valores de tensión, puede apreciarse que el cuerpo soporta una tensión de paso considerablemente mayor que la de contacto, lo cual era previsible puesto que al aplicar una tensión de paso la zona del corazón no está directamente comprometida.

)LA DISTRIBUCIÓN DE GRADIENTE DE POTENCIAL DE UN ELECTRODO La distribución del potencial alrededor de un electrodo de barra, se muestra en la figura, en este caso, se presentan las condiciones más desfavorables de seguridad, por cuanto las gradientes de potencial son bastantes pronunciadas. Para mejorar estas condiciones, es usual en sistemas MT-AT recurrir a la construcción ELECTRODOS ENMALLADOS, comúnmente conocidos como MALLAS DE TIERRA.

Con esto se logra controlar las gradientes de potencial dentro de la zona cubierta por la malla variando las dimensiones físicas de ésta.

105

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

Nivel de Tierra NT

0

0

0

0

0

La distribución de potencial en una malla, se muestra en la figura en ella se puede apreciar que se presentan dos condiciones netamente diferenciadas ; sobre el NT la zona cubierta por la malla, el valor mas desfavorable de tensión es el que se presenta entre el centro de cada retículo conductores que la forman, identificada en la figura por Vm ( tensión de mallas). Más allá de la periferia de la malla la distribución de potencial es similar a la de un electrodo de barra. Para suavizar las gradientes de potencial más allá de la superficie, algunos autores proponen como solución el ir aumentando progresivamente la profundidad de enterramiento de los conductores que forman la malla, desde el centro a la periferia; sin embargo, esta solución no resulta práctica en razón a que para obtener variaciones sensibles en las gradientes, se deben alcanzar profundidades de enterramiento de algunos metros, cosa que obviamente no resulta conveniente o simplemente no es posible realizar. En tales condiciones las mallas se diseñan para asegurar que una persona que se encuentre sobre ellas no sea sometida a tensiones de contacto peligrosas, en caso de falla, y una persona que se encuentre en la periferia, no sea sometida a tensiones de paso peligrosa.

106

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

)4.4. CONDICIONES DE DISEÑO DE UNA MALLA DE TIERRA 4.5. Según, LAURENT Y KOCH, al circular corriente por una malla se produciría un potencial de malla que se puede determinar mediante la expresión: Potencial de malla

Potencial de paso

en la periferia

K m y Ks : Factores de forma de la malla dependiendo de sus dimensiones y forma geométrica. Ki y K” : Factor irregularidad que considera la influencia no homogénea del terreno en la distribución del flujo de corriente

ρ

: Resistividad aparente del terreno en que se construye la malla, en ohm·metro

I L

: Largo total del conductor enterrado que forma la malla, en metro.

a tierra.

: Corriente de falla que circula a tierra a través de la malla en Amperes

En las tablas 1 y 2 se dan valores y relaciones para obtener Km , Ks , Ki y K” .

Comparando las expresiones anteriores se pueden establecer los valores que aseguren que una malla esta diseñada de modo que no signifique peligro para las personas que están paradas sobre ella o en su periferia. De esta manera, la tensión máxima de contacto a que puede quedar sometida una persona sobre la malla será Vm y su valor no deberá exceder de Vc , es decir debe cumplirse entonces : Vm < Vc

en la periferia se debe cumplir que :

Vpp < Vp

es decir,

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

107 INGENIEROS RELATORES

Analizando estas expresiones, se puede concluir que la única variable que nos permite ajustar las gradientes de potencial a los valores requeridos es L (largo de conductor enterrado ), despejando su valor de las expresiones anteriores, se obtienen dos soluciones de las cuales se deberá adoptar la que de un mayor valor de L. Generalmente, esto se cumple para el largo necesario para controlar el voltaje de contacto, que esta dado por la expresión :

Desde el punto de vista económico de dimensionamiento de la malla, interesara ocupar el mínimo largo de conductor que permita la operación segura de la instalación. Lograr encontrar este valor mínimo requerirá generalmente de establecer una solución de compromiso entre los diversos factores que lo definen; así por ejemplo, se puede actuar sobre el valor de la corriente de falla variando el valor de la resistencia de la puesta a tierra, pero a su vez, habrá una variación en sentido contrario del tiempo de duración de la falla, el cual es dependiente de las características de operación de las protecciones y esta son función de la corriente de falla. De igual forma, el largo del conductor enterrado influye sobre el valor de resistencia, de modo que pareciéramos estar frente a un problema indeterminado. Sin embargo, podemos solucionarlo estableciendo las siguientes bases de cálculo :

)El valor de resistencia de puesta a tierra estará definido por las características de operación de las protecciones y el valor de la corriente de falla, de modo que al producirse una falla a tierra las protecciones deben operar en un tiempo seguro; luego, no existe un único valor típico de resistencia de puesta a tierra, sino que cada caso particular tendrá su propia solución y esta no necesariamente es única. Definido en cada caso el valor de resistencia de puesta a tierra, es posible definir la superficie necesaria de cubrir para obtener esta resistencia y calcular el largo de conductor enterrado de modo de lograr el control de las gradientes de potencial sobre la zona de malla. Finalmente, un aspecto que aún no habíamos mencionado, la sección del conductor enterrado se determina en función al máximo calentamiento permisible en los puntos más desfavorables en este conductor; estos puntos son las uniones y su temperatura permisible será función de la forma de efectuar la unión, así por ejemplo, para uniones soldadas con soldaduras de bajo punto de fusión, se considera 450°C y para uniones apernadas 250° C. Existen Tablas que muestran valores que permiten determinar la sección del conductor en función a la corriente de falla y al tiempo de operación de las protecciones y al tipo de uniones empleadas.

108

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

4.7. TABLA 1 :

OBTENCION de Km, Ki y Ki”

(DISTANCIA y diámetro /sección de conductores )

D 5,2 mts mm 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 7 8 9 10 15 20 25

21 mm2 0,2565 0,4774 0,6064 0,6654 0,769 0,833 0,876 0,919 0,956 0,989 1,02 1,048 1,097 1,139 1,177 1,21 1,339 1,431 1,502

7,3 mm 27 mm2 0,2028 0,4238 0,5528 0,644 0,715 0,773 0,822 0,865 0,902 0,936 0,966 0,994 1,043 1,086 1,123 1,16 1,286 1,535 1,448

8,1 mm 34 mm2 0,1850 0,406 0,535 0,627 0,690 0,756 0,805 0,847 0,885 0,918 0,949 0,979 1,025 1,068 1,105 1,129 1,258 1,359 1,431

9,1 mm 42 mm2 0,166 0,387 0,516 0,608 0,679 0,737 0,785 0,829 0,866 0,900 0,930 0,958 1,007 1,049 1,087 1,120 1,249 1,341 1,412

9,4 mm 53 mm2 0,162 0,384 0,513 0,604 0,675 0,733 0,782 0,825 0,862 0,896 0,926 0,954 1,003 1,048 1,083 1,117 1,248 1,337 1,428

10,5 mm 67 mm2 0,144 0,365 0,494 0,586 0,657 0,715 0,764 0,806 0,844 0,877 0,908 0,935 0,984 1,027 1,064 1,098 1,227 1,319 1,390

11,6 mm 85 mm2 0,126 0,347 0,476 0,568 0,639 0,697 0,748 0,788 0,825 0,859 0,890 0,917 0,966 1,006 1,046 1,080 1,209 1,30 1,34

13,3 mm 107 mm2 0,107 0,328 0,457 0,549 0,620 0,678 0,723 0,769 0,807 0,840 0,871 0,898 0,947 0,990 1,027 1,061 1,190 1,282 1,353

15,2 mm 127 mm2 0,085 0,306 0,435 0,527 0,598 0,656 0,705 0,747 0,785 0,818 0,849 0,876 0,925 0,969 1,005 1,039 1,168 1,259 1,391

16,9 mm 152 mm2 0,068 0,289 0,418 0,510 0,581 0,639 0,689 0,730 0,768 0,801 0,832 0,859 0,908 0,951 0,988 1,022 1,151 1,243 1,314

18,4 mm 202 mm2 0,055 0,276 0,405 0,496 0,567 0,625 0,674 0,717 0,754 0,788 0,818 0,845 0,895 0,937 0,975 1,009 1,138 1,229 1,300

20,6 mm 253 mm2 0,037 0,259 0,387 0,479 0,550 0,608 0,657 0,699 0,737 0,770 0,801 0,828 0,877 0,920 0,957 0,991 1,120 1,212 1,283

Nota : Los valores de Km están calculados para una malla a he = 0,6mt . Los datos de entrada a la tabla 1 son : D : Distancia entre conductores de la malla y d : Diámetro del conductor de la malla. El dato de entrada a la tabla 2 es n : Numero de conductores en

paralelo en el sentido del lado menor. Km se obtiene como

Km = f ( D, d ) + fn

Ki y Ki “ se obtienen directamente.

TABLA 2 : OBTENCION de Km, Ki y Ki” n

F(n)

Ki

Ki”

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

-0,0916 -0,1496 -0,1921 -0,2256 -0,2533 -0,2769 -0,2975 -0,3157 -0,3320 -0,3468 -0,3603 -0,3728 -0,3844 -0,3952 -0,4053 -0,4148 -0,4238 -0,4322 -0,4404 -0,4480

0,984 1,165 1,338 1,51 1,682 1,854 2,026 2,198 2,37 2,542 2,714 2,806 3,058 3,23 3,402 3,574 3,746 3,918 4,09

1,2902 1,5158 1,7394 1,963 2,1066 2,4102 2,6338 2,8574 3,081 3,3046 3,5282 3,7518 3,9754 4,199 4,4220 4,6462 4,8698 5,0934 5,317

109

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

TABLA 3 ( obtención de Ks ) n

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

Dist. D entre conduc. paralelos

O,5mt

1,0mt

1,5mt

2mt

2,5mt

3mt

3,5mt

4mt

4,5mt

5mt

6mt

0,554 0,873 1,085 1,244 1,372 1,478 1,569 1,648 1,719 -

0,464 0,623 0,729 0,758 0,793 0,846 0,892 0,931 0,967 0,999 1,027 1,054 1,078 1,101 1,122 1,142 1,161

0,417 0,523 0,594 0,647 0,689 0,725 0,755 0,781 0,805 0,826 0,845 0,863 0,879 0,895 0,909 0,922 0,935

0,388 0,467 0,520 0,560 0,592 0,618 0,641 0,661 0,679 0,695 0,709 0,722 0,735 0,746 0,757 0,767 0,776

0,358 0,432 0,474 0,506 0,531 0,552 0,570 0,589 0,603 0,616 0,628 0,639 0,649 0,658 0,667 0,675 0,682

0,354 0,407 0,442 0,469 0,490 0,508 0,521 0,534 0,546 0,557 0,567 0,576 0,584 0,592 0,599 0,606 0,612

0,343 0,388 0,418 0,441 0,459 0,474 0,487 0,498 0,508 0,517 0,525 0,533 0,540 0,547 0,553 0,559 0,564

0,334 0,374 0,401 0,421 0,437 0,450 0,461 0,471 0,480 0,487 0,494 0,501 0,507 0,513 0,518 0,523 0,528

0,328 0,363 0,387 0,405 0,419 0,431 0,441 0,450 0,458 0,465 0,500 0,506 0,511 0,516 0,521 0,525 0,529

0,322 0,354 0,375 0,391 0,404 0,415 0,424 0,432 0,439 0,445 0,451 0,456 0,461 0,466 0,470 0,474 0,478

0,313 0,340 0,356 0,371 0,382 0,391 0,399 0,406 0,412 0,417 0,422 0,426 0,430 0,434 0,438 0,441 0,444

Nota : tabla calculada para mallas con conductores enterrados a he = 0,6 mts

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

110 INGENIEROS RELATORES

4.8. Ejemplo de Calculo de una Puesta a Tierra MT Se construirá una subestación compuesta por dos transformadores de 500 kVA. cada uno, los niveles de cortocircuito en el Empalme, según datos proporcionados por la respectiva Empresa Eléctrica son de 2.850 Amperes para el cortocircuito trifásico y 2.500 A para el cortocircuito monofásico a tierra, en el lado de M.T., en el caso considerado, en 13,2 kV. Los valores de corriente de corto circuito indicados por la Empresa Eléctrica, se dan sin considerar el valor de la resistencia de la puesta a tierra que se va a diseñar, razón por la cual se deberá rectificar estos valores introduciendo la resistencia de puesta a tierra que se calcule. Se deberá fijar este valor de resistencia de puesta a tierra y como única ayuda para ello disponemos del criterio que establece que debe ser una resistencia lo suficientemente baja como para hacer operar las protecciones en un tiempo suficientemente corto de modo de no crear problemas de seguridad ni dificultades de operación de la instalación. Vemos entonces que en forma indirecta quienes fijan la magnitud de la resistencia de puesta a tierra son las características de operación de las protecciones, razón por la cual al iniciar este estudio debe estar perfectamente definido el tipo de protecciones que se usará y se deberá disponer de sus curvas características. En el caso que estamos estudiando, dado que la corriente nominal en MT de cada transformador es de 21,9 A, los supondremos protegidos por un fusible de 25A. de característica T, como los mostrados en las curvas características. El empalme lo supondremos protegido por un fusible de 50A, también de características T. Por razones de seguridad el diseño de la puesta a tierra se hará siempre en función a las características de las protecciones de respaldo y no a las de la protección del transformador, en este caso en función a las características del fusible 50T que protege el empalme. De acuerdo al criterio del proyectista, el que deberá buscar una solución que ofreciendo las condiciones de seguridad que imponen las normas, resulte lo más económica de desarrollar que sea posible; se deberá seleccionar un tiempo de operación de las protecciones que sea adecuado a la solución del problema; este

111

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

tiempo deberá desde luego, cumplir las condiciones de coordinación que impongan el resto de las protecciones del sistema. Supuesto obviado el problema de coordinación y no existiendo una receta general aplicable a todos los casos el proyectista ofrece como un posible criterio de trabajo el tratar de mantener, en la medida que sea posible, el tiempo de operación de las protecciones comprometidas bajo 0,5 seg. Naturalmente, que como todo criterio, éste es discutible y no se pretende de ningún modo que tenga una validez absoluta, de modo que cada proyectista podrá adoptarlo si estima que le conviene o simplemente aplicar otro mejor, sin embargo para el desarrollo, del ejemplo se trabajará sobre esta base y de los resultados se podrá determinar con claridad que ajustes serán necesario hacer en caso de seguir otro camino. En nuestro caso particular si suponemos como valor de corriente de cortocircuito a tierra 2.500A (lo cual solo es posible para Rpt =0) el tiempo de operación sería de 0,056 seg., si aceptamos en forma arbitraria que una corriente de 1.000A, con su correspondiente tiempo de operación de 0,28 seg., son aceptables como solución a nuestro problema, en tales condiciones la puesta a tierra deberá tener una resistencia que limite la corriente de cortocircuito a 1.000 A, lo que conducirá al valor siguiente :

2.500A 1.000A

0,28sg 0,056sg

112

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Aplicando componentes simétricas :

si Rpt = 0

despejando :

Para un valor de puesta a tierra R cualquiera la corriente de falla a tierra será :

En esta última expresión reemplazando los valores calculados y tomando la corriente de 1.000 A. aceptada anteriormente, nos resultará un valor de R = 6,35 ohm ; por razones comodidad de cálculo nos conviene tomar un valor redondeado y nuevamente quedará a criterio del proyectista si este redondeo es por defecto o por exceso, en nuestro ejemplo, redondearemos a 7 ohm, con lo cual el valor de corriente de falla a tierra permanece prácticamente invariable respecto del que habíamos adoptado. De acuerdo a la formulas podemos determinar en primera aproximación la superficie necesaria de cubrir para obtener la resistencia de puesta a tierra especificada, tomando como dato el valor aproximado de resistividad equivalente que determinamos anteriormente y luego por aproximaciones sucesivas determinaremos la superficie y la resistividad equivalente correspondiente según lo explicado antes. Desarrollando los cálculos en la forma descrita, obtendremos como una solución posible una

malla cuadrada de 26 x 26 mt : VEA TIPOS DE ELECTRODOS DE TIERRA hoja NORMA 16.

NORMA 4-2003

113

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Separación = 3,71 mts 26mt x 26 mt 416 MTS 350 ohms x mt

En ella se ha podido determinar que la variación de resistividad aparente no es significativa, de modo que en su diseño se seguirá empleando el valor de 350 ohm-mt. obtenido anteriormente; según esto la resistencia de la puesta a tierra aproximada será, de acuerdo a la expresión de LAURENT :

Malla Laurent

Si esta malla es evaluada según la formula de SCHWARZ su valor en forma más precisa será < a 6,8 ohm satisfaciendo lo requerimiento. En caso contrario, será necesario aumentar el numero de barras paralelas, aumentado así el Lm y reduciendo aún más su Rpt. La sección necesaria del conductor que forma esta malla, considerando que la corriente de falla a tierra es de 1.000A y de acuerdo a lo indicado en la tabla, será de 4mm2 . Sin embargo, por consideraciones mecánicas esta sección es insuficiente y de acuerdo a lo exigido por las norma SEC, deberá colocarse una sección de 21 mm2 . COMPROBACIÓN CUMPLIMIENTO DE VOLTAJES LIMITES DE CONTACTO Y PASO

El próximo paso será verificar si la malla diseñada cumple las exigencias en cuanto al control de gradientes de potencial para lo cual será necesario calcular las tensiones de paso y de contacto que se producen en la malla y compararlas con los respectivos valores maximos tolerables. 1.

COMPROBACIÓN TENSIÓN DE CONTACTO

De este calculo se ha considerado que la zona en que se encuentra la malla se ha cubierto con una capa de grava ( chancado de ripio ), cuya resistividad superficial es de 3.000 ohm-mt, en las condiciones mas desfavorables, vale decir, estando la grava mojada. Tomando los valores de Km y Ki de la tabla el voltaje de malla que se obtiene en la puesta a tierra diseñada será de :

114

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

INGENIEROS RELATORES

Para aplicar esta expresión debemos recordar que la corriente de 1.000A calculada corresponde al valor permanente de corriente de falla y de acuerdo a lo que hemos visto antes, el valor inicial de dicha corriente será mayor por la presencia de la componente continua que decrece exponencialmente con el tiempo. El valor de corriente de falla con el cual debe dimensionar la puesta a tierra para tener un adecuado control de gradientes se obtiene afectando el valor permanente por el "factor de asimetría" correspondiente que se da en función del tiempo de duración de la falla mostrada en la tabla que se muestran valores del factor de asimetría para tiempos de falla intermedios a los indicados. Los factores respectivos se pueden obtener por Factor de asimetría corriente de cortocircuito interpolación lineal. TIEMPO de FALLA sg

FACTOR

0,01 0,02 0,04 0,08 0,1

1,7 1,62 1,5 1,32 1,25

0,28

1,1

0,5 o mayor

1,0

En el ejemplo, el tiempo de duración de la falla es de 0,28 seg., lo que corresponde a un FACTOR = 1,1 entonces la corriente transitoria de falla será de I = 1000 x 1,1 = 1.100A. luego :

= 1.146 v valor que es más bajo que el valor de tensión de contacto tolerable, lo que nos indica que desde el punto de vista el diseño de la puesta a tierra es adecuado. COMPROBACIÓN TENSIÓN DE PASO 2. De acuerdo a la expresión la tensión de paso tolerable, en las condiciones que se están analizando será de :

y el voltaje de paso que se produce en la periferia de la puesta a tierra diseñada, de acuerdo a la expresión será :

lo que nos indica, de manera similar a la comprobación anterior, que también desde este punto de vista el diseño de la puesta a tierra es adecuado.

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT y MT WWW.DHSING.CL

115 INGENIEROS RELATORES

CONSIDERACIONES PRACTICAS PARA LA EJECUCIÓNDE LA MALLA PUESTA A TIERRA MT )La malla debe estar preferentemente ubicada debajo del equipo que se desea proteger, e incluso, es un buen punto de partida para el diseño de la puesta a tierra considerar la superficie del recinto de operación de la subestación como una primera posible solución. La condición, más favorable es que los límites del recinto de operación coincidan con los límites de la malla de modo que a la zona de la malla solo tenga acceso personal calificado.

)Dicha condición no siempre es posible cumplir y por regla general, la malla traspasará los limites del recinto de operación; en tal caso, la superficie sobre la malla y hasta un límite de por lo menos 1,2 mt más allá del borde de ésta se deberá cubrir con un material de alta resistividad, como por ejemplo, baldosas, asfalto o una capa de chancado de por lo menos de 5 cm de espesor o un material equivalente. Debe evitarse la colocación de prados o jardines sobre la zona de la malla por cuanto dificultan grandemente el control de las tensiones de contacto y de paso.

)

En algunos casos no se dispone en la zona de ubicación de la subestación, de la superficie necesaria para obtener las condiciones impuestas por los cálculos; en ellos es una solución aceptable es construir bajo los equipos una malla equipotencial de las dimensiones que el terreno permita y para obtener el valor de resistencia buscado construir una malla de resistencia en un punto remoto, desde luego lo más próximo que sea posible a la malla equipotencial. Ambas mallas deben interconectarse por lo menos en 2 puntos. Al adoptar este tipo de soluciones se debe ser extremadamente cuidadoso en cuanto a la posibilidad de transferir potenciales a otros puntos de la instalación ajenos al equipo protegido. ****

116

ESTUDIO Y DISEÑO DE MALLA A TIERRA BT-MT

INGENIEROS RELATORES

WWW.DHSING.CL

BIBLIOGRAFÍA

• • • • • • • • • • • •

INSTALACIONES ELÉCTRICAS / DISEÑO Y EJECUCIÓN DE CIRCUITOS J. Araya – F. Sandoval Colección Teleduc, U. Católica año, 1995. Inacap. INSTALACIONES ELÉCTRICAS EN BAJA TENSIÓN Ángel Lagunas Márquez España, Editorial Paraninfo, año 2003 ELECTRICIDAD INDUSTRIAL José Roldan Viloria, Editorial Paraninfo, año 1998 sexta edición FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Philco ISE, Editorial Philco, año 1960 INTRODUCCIÓN AL PROYECTO ELÉCTRICO Jorge Valenzuela USACH, edición XP , año 1977 GUÍA DE LA POTENCIA Legrand, Manual Técnico 2004 PUBLICACIONES DE INSTALACIONES ELÉCTRICAS Legrand, Boletín Técnico, Legrand año 1999 INSTALACIÓN ELÉCTRICAS EN EDIFICIOS Alberto Guerrero, Editorial McGraw-Hill, año 2003 MANUAL DE INSTRUMENTO CERTIFICADOR EUROTEST PARA IE KOBAN España, año 2004 NORMA INST. ELECTRICAS BT 2/84 – 4/2003 10/84 SEC CHILE, Servicios Eléctricos y Combustible Norma 2003 Chile TABLAS PARA LA ELECTROTECNIA A. SCHILLO, Editorial Reverte S.A. año 1964 TEORÍA DE CIRCUITOS Enrique Ras Oliva Editorial Marcombo 1969