DISEDISEÑÑO DE LA MALLA DE PUESTA A O DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE ESTACIONES TIERRA DE ESTACIONES

TRANSFORMADORASTRANSFORMADORAS

Mario CebreiroMario CebreiroCentral Piedra BuenaCentral Piedra Buena

ClasificaciClasificacióón de la malla de puesta a tierran de la malla de puesta a tierra

Puesta a tierra de servicio. Puesta a tierra de servicio. Puesta a tierra de un punto del circuito, que es Puesta a tierra de un punto del circuito, que es necesaria para el funcionamiento normal de aparatos, mnecesaria para el funcionamiento normal de aparatos, mááquinas e quinas e instalaciones. instalaciones. Se consideran asSe consideran asíí las siguientes:las siguientes:

DirectaDirecta cuando no tiene otras impedancias excepto la impedancia propia cuando no tiene otras impedancias excepto la impedancia propia de puesta a de puesta a tierratierraIndirecta Indirecta cuando han sido efectuadas agregando o intercalando impedancias cuando han sido efectuadas agregando o intercalando impedancias óóhmicas, inductivas o hmicas, inductivas o capacitivascapacitivas, limitadoras de corriente o supresoras de arco a , limitadoras de corriente o supresoras de arco a tierra.tierra.

Puesta a tierra contra descargas atmosfPuesta a tierra contra descargas atmosfééricas. ricas. Puesta a tierra de una parte Puesta a tierra de una parte o pieza conductora destinada a conducir a tierra corrientes de ro pieza conductora destinada a conducir a tierra corrientes de rayos u otras ayos u otras descargas atmosfdescargas atmosfééricas. ricas.

Puesta a tierra de protecciPuesta a tierra de proteccióón. n. Puesta a tierra de un punto del circuito que es Puesta a tierra de un punto del circuito que es necesaria para proteger personas, animales y bienes de los efectnecesaria para proteger personas, animales y bienes de los efectos daos daññinos de inos de la corriente ella corriente elééctrica, o para fijar un potencial de referencia.ctrica, o para fijar un potencial de referencia.

Definiciones Definiciones

ExtraExtraíídas de la norma das de la norma IramIram 22812281--11

Sistema o instalaciSistema o instalacióón de puesta a tierran de puesta a tierra. Conjunto de elementos, unidos el. Conjunto de elementos, unidos elééctrica mente ctrica mente a la masa de la tierra, con la finalidad de proteger personas, aa la masa de la tierra, con la finalidad de proteger personas, animales y bienes de los nimales y bienes de los efectos daefectos daññinos de la corriente elinos de la corriente elééctrica, o de fijar un potencial de referencia o de conducir ctrica, o de fijar un potencial de referencia o de conducir a tierra las corrientes de rayos u otras descargas ela tierra las corrientes de rayos u otras descargas elééctricas atmosfctricas atmosfééricas. ricas.

Conectar o "poner" a tierra.Conectar o "poner" a tierra. Conectar elConectar elééctricamente con la tierra conductora (suelo) , ctricamente con la tierra conductora (suelo) , mediante el sistema de puesta tierra, un punto del circuito de smediante el sistema de puesta tierra, un punto del circuito de servicio o una parte ervicio o una parte conductora no perteneciente a conductora no perteneciente a éél.l.

Puesta a tierraPuesta a tierra. Conjunto de todos los medios y disposiciones para conectar a t. Conjunto de todos los medios y disposiciones para conectar a tierra.ierra.

Electrodo dispersor o de puesta a tierra o "toma de tierra" Electrodo dispersor o de puesta a tierra o "toma de tierra" .Conductor introducido en .Conductor introducido en el suelo y conectado elel suelo y conectado elééctricamente a ctricamente a ééste mediante una uniste mediante una unióón intima, conductora de n intima, conductora de corriente, o embutido o embebido en el hormigcorriente, o embutido o embebido en el hormigóón que estn que estéé en contacto intimo con el suelo en contacto intimo con el suelo en una superficie grande. Las partes desnudas (no aisladas) de len una superficie grande. Las partes desnudas (no aisladas) de las conexiones as conexiones enterradas, se consideran como parte integrante del electrodo dienterradas, se consideran como parte integrante del electrodo dispersor. spersor.

• Conductor de puesta a tierra. Conductor que está fuera del suelo o colocado aislado dentro del suelo y que comunica una parte de una instalación que debe conectarse a tierra con un electrodo de tierra.

• Tierra de referencia. Zona del terreno, en particular de su superficie (suelo)J tan alejada del electrodo de tierra que no existen diferencias de potencial medibles o apreciables entre distintos puntos en esta zona (suelo eléctricamente neutro) .

• Potencial eléctrico de un punto. Diferencia de potencial entre dicho punto y la tierra de referencia.

• Gradiente de potencial de un punto. Diferencia de potencial por unidad de longitud medida en la dirección en que es máxima.

• Resistividad o resistencia específica de la tierra (suelo) Resistencia eléctrica específica de la tierra. Casi siempre se indica en Ω.m2/m = Ω.m y equivale a la resistencia de un cubo de 1 m de arista medida entre dos caras opuestas del cubo.

• Resistencia de dispersión de un electrodo de tierra. Resistencia de la tierra entre el electrodo de tierra y la tierra de referencia, es prácticamente una resistencia efectiva.

Impedancia de un electrodo de tierra. Impedancia de un electrodo de tierra. Impedancia de corriente alterna entre el electrodo de tierra y Impedancia de corriente alterna entre el electrodo de tierra y la tierra de referencia. la tierra de referencia.

Resistencia (impedancia de puesta a tierra de impulso. Resistencia (impedancia de puesta a tierra de impulso. Resistencia que actResistencia que actúúa durante el paso de a durante el paso de corrientes de rayos u otras descargas elcorrientes de rayos u otras descargas elééctricas transitorias entre un punto de una instalacictricas transitorias entre un punto de una instalacióón de n de puesta a tierra y la tierra de referencia. puesta a tierra y la tierra de referencia.

ÁÁrea de resistencia (para electrodos de puesta a tierra solamenterea de resistencia (para electrodos de puesta a tierra solamente)). . ÁÁrea de la tierra (alrededor del rea de la tierra (alrededor del electrodo) dentro de la cual se localiza prelectrodo) dentro de la cual se localiza práácticamente la totalidad de la diferencia de potencial entre el cticamente la totalidad de la diferencia de potencial entre el electrodo y la tierra de referencia cuando se produce una falla electrodo y la tierra de referencia cuando se produce una falla o bien circula una corriente de prueba o bien circula una corriente de prueba (medici(medicióón). n).

TensiTensióón de puesta a tierra. n de puesta a tierra. Aquella que se produce entre una instalaciAquella que se produce entre una instalacióón de puesta a tierra y la tierra n de puesta a tierra y la tierra de referencia. de referencia.

TensiTensióón de contacto. n de contacto. Diferencia de potencial (parte de la tensiDiferencia de potencial (parte de la tensióón de puesta a tierra) a la que puede n de puesta a tierra) a la que puede quedar sometido el cuerpo humano entre la mano y el pie o entre quedar sometido el cuerpo humano entre la mano y el pie o entre una mano y la otra (distancia una mano y la otra (distancia horizontal de aproximadamente 1 m entre partes afectadas). horizontal de aproximadamente 1 m entre partes afectadas).

TensiTensióón del paso. n del paso. Diferencia de potencial (parte de la tensiDiferencia de potencial (parte de la tensióón de puesta a tierra) que aparece entre n de puesta a tierra) que aparece entre dos puntos separados por una distancia igual al paso normal humados puntos separados por una distancia igual al paso normal humano (aproximadamente 1 m) sobre la no (aproximadamente 1 m) sobre la superficie de apoyo de los pies (tierra, csuperficie de apoyo de los pies (tierra, céésped, suelo, veredas pavimento etc.). sped, suelo, veredas pavimento etc.).

Normas IEEE Normas IEEE stdstd 80 80 --20002000

Que esperamos de la malla de PAT Que esperamos de la malla de PAT

La malla de PAT debe:La malla de PAT debe:

Proveer durante todo el perProveer durante todo el perííodo de vida odo de vida úútil de la estacitil de la estacióón un valor de n un valor de impedancia bajo que asegure:impedancia bajo que asegure:

–– RRáápida reflexipida reflexióón que neutralice la n que neutralice la sobretensisobretensióónn que envque envíían a tierra descargadores y an a tierra descargadores y explosoresexplosores,,

–– Un camino para las corrientes de fallasUn camino para las corrientes de fallas

–– La conexiLa conexióón a tierra de los neutros de los transformadores,n a tierra de los neutros de los transformadores,

–– Asegurar que las partes metAsegurar que las partes metáálicas de los equipos estlicas de los equipos estéén a potencial de tierra,n a potencial de tierra,

–– Asegurar el rAsegurar el ráápido, selectivo y correcto funcionamiento de las protecciones depido, selectivo y correcto funcionamiento de las protecciones de tierra.tierra.

Soportar corrientes de fallas y descargas atmosfSoportar corrientes de fallas y descargas atmosfééricas. ricas. Debe tenerse en cuenta en Debe tenerse en cuenta en su disesu diseñño los posibles incrementos de la potencia de cortocircuito que po los posibles incrementos de la potencia de cortocircuito que podrodríían registrarse. an registrarse. Es muy difEs muy difíícil ampliar o mejorar la malla de PAT luego de construida la estcil ampliar o mejorar la malla de PAT luego de construida la estaciacióón n transformadora.transformadora.

Resistir la corrosiResistir la corrosióón qun quíímica y galvmica y galváánica. Snica. Seleccionar material capaz de soportar la eleccionar material capaz de soportar la acciaccióón de agentes qun de agentes quíímicos y electroqumicos y electroquíímicos.micos.

Poseer buenas cualidades mecPoseer buenas cualidades mecáánicas durante su vida nicas durante su vida úútil. til.

Ser econSer econóómica, lo que debermica, lo que deberíía ser la base de todos los ca ser la base de todos los cáálculos lculos ingenierilesingenieriles. . AAspectos econspectos econóómicos en establecimiento de la cuadriga ..micos en establecimiento de la cuadriga ..

Posibilidad de accidentes

Alta corriente de fallaGradientes elevados en la superficieLa presencia de un individuoResistencias de contacto muy bajasLarga duración de la falla

La probabilidad de que todo esto se de es realmente muy baja.

(para una persona de 50 Kg)

(para una persona de 70 Kg)

La resistencia del cuerpo humano se considera Rb = 1.000 Ω

Corriente resistida por una persona (Dalziel)

Función de:•La frecuencia•La duración •Y la magnitud

Produce:•Quemaduras•Asfixia•Fibrilación cardíaca

la resistencia de los dos pies en serie es: Rf = 6 ρ (3 ρ cada pie)

Para la tensión de paso el límite es Estep = (Rb + Rf).IB

Consecuentemente resulta

Potencial de

paso

la resistencia de un pie es R = 3 (ρ)y la resistencia de los pies en paralelo es Rf = 1,5 (ρ)

Econt = (Rb + R2Fp) IB , resultando:

Potencialde

Contacto

GPR (elevación de potencial) y Corriente de tierra

Se denomina GPR a la máxima elevación de potencial en la red de una subestación con respecto a un punto distante que se asume está al potencial de tierra remoto.

La tensión de malla puede determinarse por:

Emesh = ρ Km Ki IG / L,

donde:

( )( )( )K Dhdm = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅

12 16

1 3 4 5 6 7 82

π πln ln

Km “factor de irregularidad” de corrección,

ρ Resistividad promedio del terreno (Ω.m),

Ig Corriente máxima de falla (A), que fluye entre la red y el terreno antes calculada,

L Longitud mínima total de conductor enterrado (m).

Si este valor de Emesh se iguala al valor máximo tolerable antes calculado, resulta:

ρ Km Ki IG / L = (157 + 0,235 ρs )/ t s ½ .

Se ha incluido ρs para considerar la resistividad superficial.

Resulta:

L = ρ Km Ki IG ts ½ / (157 + 0,235 ρs )

Con L y Rg (resistencia de dispersión de la red), se tienen dos datos básicos para el diseño de la red.

Si L resulta por razones geométricas y físicas mayor que el valor L calculado, el problema está resuelto. Sino deberán reducirse dimensiones de la cuadrícula.

Con Rg e IG, se tiene el valor de GPR, con el cual se analizarán eventuales problemas con la “tensión de transferencia”.

Tensión de Contacto del Lado Exterior del Cerco Perimetral

Cuando quede dentro de la zona activa o muy próxima a ella es recomendable extender la red de puesta a tierra fuera del mismo, para evitar tensiones de contacto peligrosas para una persona parada en el lado exterior y tocando el cerco. En este caso se vincula a la red de puesta a tierra,

Cuando esté alejado de la zona activa, se desvinculará de la malla de tierra. Se instalan jabalinas.

L = ρ Km Ki IG ts ½ / (157 + 0,235 ρs ) (contacto)

L = ρ Km Ki IG ts ½ / (157 + 0,235 ρs ) (paso)

Reducir ρ

Aumentar ρs

Reducir el tiempo de accionamiento de los relés

Reducir IG

hh Profundidad de instalaciProfundidad de instalacióón de la red,n de la red,

LL Longitud de conductor enterrado,Longitud de conductor enterrado,

AA ÁÁrea cubierta por la malla en mrea cubierta por la malla en m22..

aproximación de Laurent

R = ρ (1/L + 1/r)

r es el radio de un círculode área equivalente a lamalla proyectada.

( )RR R RR R Rg =⋅ −⋅ −

1 2 122

1 2 122

Resistencia de pat de un electrodo

R = (ρ / 2πL) * [ln (4L/a) - 1]

RL A h A

= +⋅

++ ⋅

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ρ

1 12 0

1 11 2 0 /

donde:

aproximación de SverakCálculo de la malla de puesta a tierra

Fundamentos para el dimensionamiento de la malla de PAT

Es el trabajo del proyectista evaluar el mejor resultado Es el trabajo del proyectista evaluar el mejor resultado econeconóómico entre las distintas opciones que se presentan:mico entre las distintas opciones que se presentan:

Reducir artificialmente la Reducir artificialmente la resisitividadresisitividad del terreno, mediante el del terreno, mediante el agregado de sales simples, el agregado de agregado de sales simples, el agregado de coquecoque sales sales ““gelgel””, , bentonita o resinas sintbentonita o resinas sintééticas.ticas.

Aumentar el Aumentar el áárea de la malla (cuando resulta posible).rea de la malla (cuando resulta posible).

Aumentar el nAumentar el núúmero y la profundidad de enterrado de las jabalinas de mero y la profundidad de enterrado de las jabalinas de PATPAT

Aumentar la longitud del conductor enterrado (puede verse que laAumentar la longitud del conductor enterrado (puede verse que lainfluencia es baja)influencia es baja)

CONDICIONES CLIMATICAS

A Precipitaciones normales y abundantes (más de 500 mm por año

B Precipitaciones escasas y condiciones desérticas (menos de 500 mm por año)

C Aguas Subterráneas RBllnag

TIPO DE SUELO

Valor más probable

Gama de valores medidos

Gama de valores medidos

Gama de valores medidos

Ω.m Ω.m Ω.m Ω.m

Aluvial y arcillas livianas 5 * * 1 a 5

Arcillas (excluyendo al aluvial) 10 5 a 20 10 a 100 3 a 10

Gredas (por ej. greda Keuper) 20 10 a 20 50 a 300 3 a 10

tierra calcárea porosa (por ej. greda) 50 30 a 100 50 a 300 10 a 100 arenisca porosa (por ej. arenisca Keuper y esquistos arcillosos) 100 30 a 300 > 1000 10 a 100

Cuarzos y piedra caliza compacta y cristalina (por ej. carboníferos , mármol, etc.).

300 100 a 1000 > 1000 30 a 100

Pizarras arcillosas esquistos pizarrosos 1000 300 a 3000 > 1000 30 a 100

Granito 1000 300 a 3000 > 1000 30 a 100 Pizarras rajadizas, esquistos gnéisicos y rocas ígneas

2000 > 1000 > 1000 30 a 100

MEDICIÓN DE LA MALLA DE PAT

No obstante, en el diseño de la red se ha mantenido, basado en un

criterio de prevención de los daños producidos por corrosión, como

sección mínima 120 mm2

Los espaciamientos de los conductores de la red no serán mayores de

8 metros, mientras que la profundidad normal es de 0,50 a 0,80 m.

Materiales para la Red de Puesta a Tierra

En las estaciones transformadoras, por razones de confiabilidad, se

usarán conductores de cobre (eventualmente, aunque menos

recomendable, conductores de acero-cobre) y jabalinas de acero-cobre

CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS Y DE MONTAJE

Fundaciones

Se instalan caños plásticos de diámetro mínimo 25 mm para el pasaje de los conductores de puesta a tierra. Todos los cables de conexión deberán quedar protegidos. Todos los bulones de conexión accesibles para inspección.

Todas las armaduras tendrán continuidad eléctrica mediante soldadura y serán conectadas a la malla de tierra mediante un chicote

Malla de Puesta a Tierra y Conexiones

La cuadrícula se densificará mediante ramas adicionales en proximidades de estructuras de retención de barras e hilo de guardia, trafos de medida, descargadores, capacitores de acoplamiento etc.

Las bajadas para conexión deberán ser conectadas, con la mínima longitud, a dos lados de la cuadrícula. Cada conexión deberá hacerse lo más cercana a los cruces de la malla. La sección de los dos cables de bajada deberá ser igual a la sección del cable de la malla de tierra.

Todas las conexiones de la malla deberán ser ejecutadas mediante soldadura exotérmica y las conexiones a equipos y estructuras mediante terminales y bulones.

Los descargadores de sobretensión y los neutros de los transformadores de potencia deberán estar conectados, además de su vinculación a la malla, a jabalinas con cámara de inspección.

Los descargadores deberán conectarse a la red de tierra de forma tal que las corrientes que drenen no afecten la zona de puesta a tierra de aparatos fuentes de señal (TC, TV, capacitores de acople).

La puesta a tierra del neutro de los secundarios de los transformadores de medida deberá ser realizada en la caja de conjunción de cada terna de transformadores.

Dentro de la zona activa todas las líneas de tierra deben estar conectadas a la malla”.

CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS Y DE MONTAJE

Canales para CablesLlevarán a lo largo, como mínimo, un conductor de la misma sección que la malla de puesta a tierra, al que se conectarán todos los soportes metálicos colocados dentro de los canales.

Dicho conductor deberá ser conectado a la malla de puesta a tierra cada 20 m como máximo.

EdificiosLas armaduras serán puestas a tierra. Igualmente, todas sus partes metálicas, aberturas, cabriadas, etc. Las partes móviles deberán estar vinculadas a las partes fijas mediante cintas flexibles. Canales interiores idem exteriores.Canales debajo tableros recorridos por pletina de cobre de sección mínima 120 mm2 y a 10 cm por debajo del tablero. Este colector se une regularmente a la malla de pat y se conectan los siguientes elementos:•Los blindajes de los conductores.•Los conductores de reserva.•Los bastidores o estructuras de tableros.

Locales con falso piso con equipamiento electrónico deberán estar provistos de un plano de tierra equipotencial, hoja de cobre espesor 0.1 mm o cinta de cobre 100 x 1 mm en configuración mallada. En canales se instalará barra continua de cobre de 5 mm de espesor y de 50 mm de ancho Colectará pat funcional y de seguridad para todos los aparatos electrónicos

CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS Y DE MONTAJE

Las tierras de los aparatos deberán conectarse al mencionado plano de tierra equipotencial, en modo radial, cada una con conexión propia de mínima longitud.

Locales en distintas cotas, deberá realizarse interconexión de los planos de tierra equipotencial de los mismos, con conexiones de baja impedancia (cuerdas múltiples y/o pletina de cobre).

Todos los aparatos no electrónicos (otras alimentaciones y servicios como la instalación de acondicionamiento de aire, etc.), deberán conectarse a la toma de tierra utilizando conexiones independientes de las anteriores.

Cables

Los blindajes de los cables deberán ser conectados a tierra en ambos extremos de cada tramo con conexiones lo más cortas posibles, con algunas excepciones.

CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS Y DE MONTAJE

SINTETIZANDO

I).- BASE DE CÁLCULO.

I-1).-Corriente de Cortocircuito que circula por tierra.I-2).-Duración de la falla.I-3).-Resistividad del terreno.I.4).-Superficie del terreno.I-5).-Normas consideradas para el cálculo.I-6).-Sistema de puesta a tierra.

II).-DESARROLLO DEL CÁLCULO.

II-1).-Cálculo de las Resistencias de Dispersión.II-2).-Cálculo de la longitud de conductor de la malla de tierra.II-3).-Cálculo de las corrientes de dispersión total.II-4).-Cálculo de las corrientes de dispersión por la malla.II-5).-Cálculo de las corrientes de dispersión por las jabalinas.II-6).-Verificación de la tensión de paso Up y de contacto Uc.II-7).-Cálculo de la máxima potencia de cortocircuito que puede soportar el Sistema pat. II-8).-Cálculo de la sección del conductor de la malla de tierra.II-9).-Cálculo de la sección del conductor de conexión malla-equipos.