Capítulo 6 - Osinergmin Orienta
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11/12/2014 Sistemas de aterramiento MSc. Ing. Leonidas Sayas Poma lsayas@osinergmin.gob.pe Objetivos • Identificar los gradientes de potencial anormal durante una falla • Calcular y medir la resistividad del terreno. • Calcular la tensión de paso y de toque • Dimensionar el sistema de puesta a tierra en una línea de transmisión y subestación. • Conocer técnicas de medición de resistencias de puestas a tierra, tensiones de paso y de toque. lsayas@softhome.net 1 11/12/2014 CONTENIDO 1. Introducción 2. Resistividad del terreno. 3. Calculo de puestas a tierra 4. Ejecución de sistemas de puesta a tierra 5. Mediciones de parámetros asociados lsayas@softhome.net DistriLuz Bibliografía • www.lem.com • www.abb.com • www.avointl.com • www.cyme.com • www.loresco.com/cgi-bin/calculator.cgi • www.etap.com •lsayaspoma@gmail.com ,CEL: 99009096 • IEEE Std 80-2000 Guide for safety in AC Substation Grounding. •IEEE Std 81-1983 Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potential of a Ground System. •IEEE Std 142-1991 80-1986 Grounding of Industrial and Commercial Power Systems. Green Book •Sistemas de puestas a tierra para especialistas, Autor: Leonidas Sayas Poma •Instalaciones de Puestas a Tierra para tecnicos calificados, Autor: Leonidas Sayas Poma 2 11/12/2014 I Introducción DistriLuz 1. 2. 3. 4. Objetivos y finalidad de la puesta a tierra. Limites de corriente en el cuerpo humano. Duración de las corrientes accidentales Aplicaciones lsayas@softhome.net DistriLuz Definiciones básicas Tierra Conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por la cual un circuito eléctrico o equipo está conectado al suelo o algún cuerpo conductor de gran extensión y que sirve en lugar del suelo. Resistividad Efectivamente tierra Resistividad superficial puesto a Contacto permanente a tierra a través de una conexión a tierra de impedancia suficientemente baja y que tenga una capacidad de conducción suficiente para que las corrientes de falla a tierra que pudiera ocurrir no ocacionen tensiones peligrosas para las personas y animales La resistividad de un material es el reciproco de su conductividad y se expresa en: -m, cm, -pulg Es la resistividad de la primera capa del terreno utilizado para la puesta a tierra. Resistividad aparente Resistividad medida directamente o mediante formula en un modelo multiestrato de terreno. lsayas@softhome.net 3 11/12/2014 DistriLuz Definiciones básicas Puesta a tierra de protección Puesta a tierra de servicio Es la conexión directa a tierra de las partes conductoras de los elementos de una instalación no sometidos normalmente a tensión eléctrica, pero que pudieran ser puestos en tensión por averías o contactos accidentales, a fin de proteger a las personas contra contactos con tensiones peligrosas. Es la conexión que tiene por objeto unir a tierra temporalmente parte de la instalaciones que normalmente están en tensión o permanentemente ciertos puntos de los circuitos eléctricos d servicio. Estas tierras pueden ser: · Directas: cuando no contienen otra resistencia que la propia de paso a tierra. · Indirectas: cuando se realizan a través de resistencias o impedancias adicionales. lsayas@softhome.net DistriLuz Definiciones básicas Gradiente de potencial Tensión de Contacto (Vc) Es la derivada del potencial con respecto a la distancia (dV/dx) Es la diferencia de potencial entre la elevación del potencial de tierra y el potencial superficial en el punto en donde una persona esta parada mientras al mismo tiempo tiene una mano en contacto con una estructura metálica aterrizada. Tensión de Paso (Vp) Es la diferencia de potencial superficial que puede experimentar una persona con los pies separados a 1 metro de distancia y sin hacer contacto con algún objeto aterrizado. Tensión de Transferencia Es un caso especial del voltaje de contacto en donde un voltaje es transferido hacia el interior o la parte de afuera de la subestación desde un punto externo remoto. lsayas@softhome.net 4 11/12/2014 DistriLuz Definiciones básicas Tensión de Malla (Vm) Es la máxima tensión de contacto dentro de una malla de tierras. Conductor de Puesta a Tierra de los Equipos Conductor utilizado para conectar las partes metálicas no conductoras de corriente eléctrica de los equipos, canalizaciones y otras envolventes, al conductor del sistema puesto a tierra, al conductor del electrodo de puesta a tierra o a ambos. Resistencia Eléctrica del Cuerpo Humano Es la resistencia eléctrica medida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies, entre ambos pies o entre ambas manos. Sistema de Tierras Comprende a todos los dispositivos de tierra interconectados dentro de un área específica. lsayas@softhome.net DistriLuz • Generalidades Físicamente Sistema de puesta a tierra (PAT) es un conjunto de elementos que permiten un contacto eléctrico conductivo entre la tierra y las instalaciones, equipos, estructuras, etc. La PAT es de gran importancia en el comportamiento del SEP y en la seguridad de las personas, especialmente durante anomalías. lsayas@softhome.net 5 11/12/2014 DistriLuz Generalidades •Durante las anomalías que puede ser corrientes de falla o descargas atmosféricas, el flujo de la corriente a tierra da lugar a la aparición de gradientes de potencial (GP) peligrosos, ya sea dentro o fuera de la infraestructura eléctrica lsayas@softhome.net DistriLuz Generalidades •De estos GP dependen la tensión que se puede obtener entre dos puntos de la superficie del terreno, ejemplo la tensión de toque y de paso o los potenciales transferidos. 1.0m lsayas@softhome.net 6 11/12/2014 DistriLuz Generalidades Los GP podrían poner en peligro la integridad física de las personas que se encuentren próximas y provocar la destrucción del material eléctrico y electrónico situado en su radio de influencia. Vp 1.0m lsayas@softhome.net DistriLuz Generalidades Incluso en el caso de que en el lugar del defecto existieran elementos conductores tales como: conducciones metálicas, cercados, conductores apantallados, etc. podrían transferirse tensiones peligrosas a lugares muy alejados. lsayas@softhome.net 7 11/12/2014 DistriLuz Generalidades Los factores que intervienen en estas condiciones de peligro son: 1º La elevada magnitud de la corriente de falla en relación al área ocupada por la PAT. 2º Resistencia de PAT insuficientemente baja. 3º Resistividad del suelo y distribución de las corrientes de paso a tierra tales que permitan la aparición de gradientes de tensión importantes en la superficie del terreno. 4º Presencia de un individuo en el lugar, instante y posición tales que esté en contacto con puntos de diferente potencial. 5º Suficiente duración de la falla para causar daño a las personas. lsayas@softhome.net DistriLuz Objetivos y finalidad de la PAT La infraestructura eléctrica deben tener un adecuado sistema de tierra al cual se conectan todos los elementos de la instalación que requieran ser puestos a tierra para: a) Proveer un medio seguro para proteger al personal que se encuentre en la proximidad del sistema de tierras o de los equipos conectados a tierra de los peligros de una descarga eléctrica debida a condiciones de falla o por descarga atmosférica. lsayas@softhome.net 8 11/12/2014 DistriLuz Objetivos y finalidad de la PAT b) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las corrientes a tierra, ya sean debidas a una falla a tierra del sistema, o a la propia operación de algunos equipos. c) Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas indeseables a tierra, sin que se excedan los límites de operación de los equipos d) Facilitar la operación de los dispositivos de protección adecuados para la eliminación de fallas a tierra. lsayas@softhome.net DistriLuz Objetivos y finalidad de la PAT e) Proveer un medio de descarga y desenergización de equipos, antes de proceder a las tareas de mantenimiento. f) Dar mayor confiabilidad y seguridad al servicio eléctrico. lsayas@softhome.net 9 11/12/2014 Corrientes de falla en subestaciones DistriLuz LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES DE FALLA SON: a) Descargas atmosféricas, la de mayor ocurrencia y deterioran las líneas aéreas y los equipos de la subestación u otros edificios. b) Reducción del aislamiento externo, fenómeno debido a la contaminación del medio ambiente. c) Actos de vandalismo d) Sobretensiones de maniobra e) Contacto accidental a tierra de las fases del sistema. lsayas@softhome.net Corrientes de falla en subestaciones DistriLuz ATERRAMIENTO DEL SEP : NEUTRO DE mayor a) Neutro aislado, continuidad del servicio, poca seguridad. Vn /3 s R Neutro Flotante Flotante Real Falla Tensión Neutro -Tierra UNT=0 T If Retorno de Corrientes de Falla lsayas@softhome.net 10 11/12/2014 Corrientes de falla en subestaciones DistriLuz ATERRAMIENTO DEL SEP : NEUTRO DE Neutro puesto a tierra, mas seguro poca continuidad. • Solidamente a tierra • A traves de una R • A traves reactancia de Conexión a Tierra N UN Vn / 3 Real Real una Falla Puesta a Tierra s R Neutro a Tierra (U=0) If Retorno de Corrientes de Falla Neutro Fijo T lsayas@softhome.net DistriLuz Contornos equipotenciales en subestaciones durante una falla lsayas@softhome.net 11 11/12/2014 DistriLuz Potenciales peligrosos en subestaciones durante una falla lsayas@softhome.net DistriLuz Corrientes de falla en lineas LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES DE FALLA SON: a) Perturbaciones muy rápidas, por el orden de uS, da lugar a una onda que viaja a al velocidad de la luz. b) Perturbaciones rápidas, Tiempo de duración por el orden de mS y son todas las fallas shunt. lsayas@softhome.net 12 11/12/2014 DistriLuz Corriente de falla a tierra lsayas@softhome.net DistriLuz Valor de la corriente de falla a tierra If 3V 3Zs3Zf Zo Z1 Z2 Donde: If: Valor rms de la corriente de falla a tierra en el instante de inicio de la falla en amperios. V: Tensión de fase en Voltios. Zs:Impedancia de puesta a tierra de la instalación en . Zf: Impedancia de falla en Zo,Z1,Z2: Impedancias de secuencia del sistema en el lugar de falla en lsayas@softhome.net 13 11/12/2014 DistriLuz 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Factores que influyen en el GP alrededor de una estructura Magnitud de la If Localización de la falla con respecto a los terminales de la línea Resistencia de PAT de la SE en los terminales de la LT Arreglo del conductor en la torre y localización de la fase fallada RPAT promedio de la LT y RPAT de la torre mas cercana a la falla Sección, material y dimensiones del CG y de los contrapesos de PAT Resistividad del suelo lsayas@softhome.net DistriLuz Perfil de GP alrededor de una estructura Los potenciales a normales alcanzan su máximo valor en la base de la torre y decrecen rapidamente al alejarse de ella. lsayas@softhome.net 14 11/12/2014 DistriLuz Corrientes de falla en instalaciones de MT LAS CAUSALES DE LAS CORRIENTES DE FALLA SON: a) Predominantemente fallas a tierra por deterioro del aislamiento, solución incremento de frecuencia de mantenimiento o aumentar la linea de fuga del aislamiento. b) Fallas evolutivas deficiencia de aislamiento. por lsayas@softhome.net DistriLuz Potenciales anormales durante la falla en MT 1m VC 1m Vp lsayas@softhome.net 15 11/12/2014 Evaluación de la corriente eléctrica en el cuerpo humano DistriLuz Corriente a través del Cuerpo Humano El cuerpo humano, constituido de tejidos celulares complejos (contenido de agua y diferentes sales), presenta facil conduccón de corriente, de resistencia promedio entre 500 y 1500 ohmios, que es función de: peso, estatura y los puntos de contacto; la más peligrosa es cuando el contacto ocurre entre manos y pies o entre manos ya que dichos circuitos comprometen la mayor parte de organos vitales, incluyendo el corazón y no asi cuando la corriente circula entre ambos pies en que para tener una peligrosidad similar deberia ser casi 25 veces mayor, o tener una larga duración. lsayas@softhome.net SOLICITACIONES ELECTRICAS AL DistriLuz CUERPO HUMANO Para t>1s Limite de una percepción humana Malestar y dolor con descontrol de músculos estriados que eventualmente impide soltar un objeto energizado Producen contracciones en los músculos, 25 mA respiración dificil. 50 a 100mA Fibrilación ventricular y muerte consecutiva (en un tiempo de hasta 3 segundos. 1mA 9 y 25 mA lsayas@softhome.net 16 11/12/2014 SOLICITACIONES ELECTRICAS AL CUERPO HUMANO AFECTACIÓN RANGO PORCENTUAL DistriLuz 99 95 80 60 40 20 5 1 8 10 14 18 20 CORRIENTE TOLERABLE (mA) lsayas@softhome.net DistriLuz Efrectos de la corriente en mA 17 11/12/2014 DistriLuz Criterios de Duración de la Corrientes Accidentales Corrientes > a 100 mA pueden ser tolerables sin ocasionar fibrilación, si t<0.1s; las conclusiones de Dalziel muestran que el 99.5% de personas pueden soportar sin fibrilación ventricular, corrientes de valor (Ic), calculables a partir de la expresión que toma en cuenta la constante de energía de agunate del cuerpo humano. ×t k 0.116 Ic(50) t 0.157 Ic(70) t c De donde: k=0.0135 para personas de 50 kg de peso k=0.024649 para personas de 70 kg de peso Ic: corriente en amperios que fluye por el cuerpo t: tiempo en segundos que debe estar entre 0.3 y 3 segundos lsayas@softhome.net DistriLuz Criterios de Duración de las Corrientes Accidentales Es decir, se puede tolerar 116 mA en 1s o 367 durante 0.1s (6 ciclos); por lo tanto se puede soportar mayores corrientes si se dispone de sistemas de protección rápidos, que aclaran las fallas, resultando materia de análisis de decisión de utilizar los intervalos de accionamiento de los Relés de alta velocidad para los réles de respaldo, para el diseño de puestas a tierra. lsayas@softhome.net 18 11/12/2014 DistriLuz Criterios de Duración de las Corrientes Accidentales Los recierres automaticos rápidos de los interruptores modernos, pueden significar un segundo Shock con un intervalo libre inferior a medio segundo, de modo que dicho lapso permita a la víctima, librarse del contacto, ya que de no ser así, el segundo shock aún siendo menos intenso podrá ser más peligroso y hasta ocasionar la muerte. lsayas@softhome.net DistriLuz Diferencia de potecial (ddp) permisible La ddp dende de la Ic y de las resistencias de contacto entre los pies y entre una mano y los pies. Donde: dp : Distancia entre los pies IA : Corriente del circuito accidental RA : Resistencia efectiva total del circuito accidental Ic : Corriente limite del cuerpo lsayas@softhome.net 19 11/12/2014 CIRCUITO DE TENSION DE PASO DistriLuz IA RMP U Rp Rc Rp IA dp d p 1m R A R c 2 R p -2 R MP IA U RA R C 1000 R 2 PS 6 R 2 PS 6 s C S Donde: IA = Corriente de falla RA = Resistencia de falla total R2PS=2(RP-RMP),resistencia de dos pies en serie RMP=Resistencia mutua entre pies RP = Resistencia propia de un pie RC = Resistencia del cuerpo CS=Factor de reducción para capa superficial S=Resistividad superficial primera capa lsayas@softhome.net DistriLuz CIRCUITO DE TENSION DE TOQUE IA U RP RC RMP RP RA RC 1 (RP RMP) 2 R2PP 1.5 R2PP 1.5CSS Para: RP 4b RMP 2 dP Donde: R2PP=1/2(RP+RMP),resistencia de dos pies en serie RMP=Resistencia mutua entre pies RP = Resistencia propia de un pie RC = Resistencia del cuerpo CS=Factor de reducción para capa superficial S=Resistividad superficial primera capa lsayas@softhome.net 20 11/12/2014 DistriLuz Valores de resistencias de contacto Los límites de diseño se han establecido como tensiones y para llegar a los límites apropiados, es necesario considerar la impedancia a través del cuerpo humano, la resistencia de contacto de la mano, la resistencia del calzado y la resistividad del material superficial bajo el calzado. Suponiendo: 100 Ohm – metro la resistividad del suelo. 1000 Ohm para la impedancia del ser humano. 4000 Ohm de impedancia para el calzado. 300 Ohm resistencia de contacto de la mano. lsayas@softhome.net Tensión de paso y de contacto permisibles por el cuerpo humano DistriLuz UPaso(50) (10006CS S)0.116/ t UPaso(70) (10006CS S)0.157/ t UContacto(50) (10001.5CS S)0.116/ t UContacto(70) (10001.5CS S)0.157/ t 0,09(1 CS 1 S ) 2hs 0,09 Cs = 1 para suelos homogeneos hS=espesor de la capa superficial 21 11/12/2014 DistriLuz Determinación grafica de Cs K=0 1.0 -0.1 0.8 0.6 -0.2 -0.3 -0.4 0.4 -0.5 Cs -0.6 0.2 -0.7 -0.8 -0.9 hs 0 K - S S Tensión de contacto permitido (v) DistriLuz 0.04 0.08 012 hs 0.16 0.20 0.24 (metros) Valores tolerables de Uc con gravilla sin gravilla 22 11/12/2014 DistriLuz Aplicación Determinar la tensiones admisible para una persona de 70 kg si la falla es despejado en 200ms y la resistividad superficial 1000 -m y la resistividad del terreno es 100 -m , edemas el espesor de la primera capa es de 0,2m. DistriLuz Tarea No 01 Determinar la tensiones admisible para una persona de 50 kg si la falla es despejado en 300ms y la resistividad superficial 1500 -m y la resistividad del terreno es 150 -m , ademas el espesor de la primera capa es de 0,7m. 23 11/12/2014 DistriLuz Tarea No 02 Si estamos dentro de una subestación GIS, determinar la tensiones admisible para una persona de 70 kg, para una falla que es despejado en 130ms. 24
