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Guillermo Aponte Mayor M.Sc.Julio de 2009
PUESTA A TIERRA
Toda instalación eléctrica cubierta por el presente Reglamento, excepto donde se indique expresamente lo contrario, debe disponer de un Sistema de Puesta a Tierra (SPT), de tal forma que cualquier punto del interior o exterior, normalmente accesible a personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidos a tensiones de paso, de contacto o transferidas, que superen los umbrales de soportabilidad del ser humano cuando se presente una falla.
RETIE Artículo 15º. Puestas a tierra
La exigencia de puestas a tierra para instalaciones eléctricas cubre el sistema eléctrico como tal y los apoyos o estructuras que ante una sobretensión temporal, puedan desencadenar una falla permanente afrecuencia industrial, entre la estructura puesta a tierra y la red.Los objetivos de un sistema de puesta a tierra (SPT) son:La seguridad de las personas, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética.
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RETIE Artículo 15º. Puestas a tierra
Las funciones de un sistema de puesta a tierra son:
a. Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.b. Permitir a los equipos de protección despejar
rápidamente las fallas.c. Servir de referencia común al sistema eléctrico.d. Conducir y disipar con suficiente capacidad las
corrientes de falla, electrostática y de rayo.e. Transmitir señales de RF en onda media y larga.f. Realizar una conexión de baja resistencia con la tierra y
con puntos de referencia de los equipos.
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La máxima tensión de contacto aplicada al ser humano (o a una resistencia equivalente de 1000 Ω), está dada en función del tiempo de despeje de la falla a tierra, de la resistividad del suelo y de la corriente de falla. Para efectos del presente Reglamento, la tensión máxima de contacto no debe superar los valores dados en la Tabla 22.
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Tiempo de despeje de la
falla
Máxima tensión de contacto admisible IEC (95% de la población)
Máxima tensión de contacto IEEE 50 kg
(Ocupacional)
Mayor a dos seg. 50 voltios 82 voltiosUn segundo 55 voltios 116 voltios700 milisegundos 70 voltios 138 voltios500 milisegundos 80 voltios 164 voltios400 milisegundos 130 voltios 183 voltios300 milisegundos 200 voltios 211 voltios200 milisegundos 270 voltios 259 voltios150 milisegundos 300 voltios 299 voltios100 milisegundos 320 voltios 366 voltios50 milisegundos 345 voltios 518 voltios
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Tabla 22
La columna dos aplica a sitios con acceso al público engeneral y fue obtenida a partir de la norma IEC60479 y tomando la curva C1 de la Figura 1 de estereglamento (probabilidad de fibrilación del 5%). Lacolumna tres aplica para instalaciones de media, alta yextra alta tensión, donde se tenga la presencia de personalque conoce el riesgo y está dotado de elementos deprotección personal. Para el cálculo se tuvieron en cuentalos criterios establecidos en la IEEE 80, tomando comobase la siguiente ecuación, para un ser humano de 50kilos.
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El diseñador de sistemas de puesta a tierra para centrales de generación, líneas de transmisión de alta y extra alta tensión y subestaciones, deberá comprobar mediante el empleo de un procedimiento de cálculo, reconocido por la práctica de la ingeniería actual, que los valores máximos de las tensiones de paso y de contacto a que puedan estar sometidos los seres humanos, no superen los umbrales desoportabilidad.
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El procedimiento básico sugerido es el siguiente:a. Investigar las características del suelo, especialmente la
resistividad.b. Determinar la corriente máxima de falla (Operador de Red).c. Determinar el tiempo máximo de despeje de la falla.d. Investigar del tipo de carga.e. Calcular preliminar de la resistencia de puesta a tierra.f. Calcular de las tensiones de paso, contacto y transferidas.g. Evaluar el valor de las tensiones de paso, contacto y
transferidas.h. Ajustar y corregir el diseño inicial hasta que se cumpla los
requerimientos de seguridad.j. Presentar un diseño definitivo.
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Medidas adicionales:
a. Hacer inaccesibles zonas donde se prevea la superación de los umbrales de soportabilidad.
b. Instalar pisos o pavimentos de gran aislamiento.c. Aislar todos los dispositivos que puedan ser sujetados
por una persona.d. Establecer conexiones equipotenciales en las zonas
críticas.e. Aislar el conductor del electrodo de puesta a tierra a su
entrada en el terreno.f. Disponer de señalización en las zonas críticas donde
pueda actuar personal calificado.
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El valor de resistencia de puesta a tierra que se debe tomar al aplicar este método, es cuando la disposición del electrodo auxiliar de tensión se encuentra al 61,8 % de la distancia del electrodo auxiliar de corriente, siempre que el terreno sea uniforme. Igualmente, se podrán utilizar otros métodos debidamente reconocidos y documentados en las normas y prácticas de la ingeniería.
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Las tensiones de paso y contacto calculadas deben comprobarse antes de la puesta en servicio de subestaciones de alta tensión y extra alta tensión, asícomo en las estructuras de transmisión localizadas en zonas urbanas o que estén a menos de 20 m de escuelas o viviendas, para verificar que se encuentren dentro de los límites admitidos. Para subestaciones deben comprobarse hasta un metro por fuera del encerramiento y en el caso de torres o postes a un metro de la estructura.
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Valores de resistencia de puesta a tierra.Un buen diseño de puesta a tierra debe garantizar elcontrol de las tensiones de paso, de contacto ytransferidas. En razón a que la resistencia de puesta atierra es un indicador que limita directamente lamáxima elevación de potencial y controla las tensionestransferidas, pueden tomarse como referencia losvalores máximos de resistencia de puesta a tierra de laTabla 25, adoptados de las normas técnicas IEC60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050 y NTC 4552.
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El cumplimiento de estos valores de resistencia de puesta a tierra no libera al diseñador y constructor de garantizar que las tensiones de paso, contacto y transferidas aplicadas al ser humano en caso de una falla a tierra no superen las máximas permitidas.
AplicaciónValores máximos de
resistencia de puesta A tierra
Estructuras de líneas de transmisión o torrecillas metálicas de distribución con cable guarda 20 Ω
Subestaciones de alta y extra alta tensión. 1 ΩSubestaciones de media tensión. 10 ΩProtección contra rayos. 10 ΩNeutro de acometida en baja tensión. 25 Ω
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Tabla 25
Medidas para no exponer a las personas a tensiones por encima de los umbrales de soportabilidad :
a. Hacer inaccesibles zonas donde se prevea la superación de los umbrales y disponer de señalización.
b. Instalar pisos o pavimentos de gran aislamiento.c. Aislar todos los dispositivos que puedan ser sujetados por
una persona.d. Establecer conexiones equipotenciales en zonas críticas.e. Aislar el conductor del electrodo de puesta a tierra a su
entrada en el terreno.f. Disponer de señalización en las zonas críticas donde pueda
actuar personal calificado, siempre que éste cuente con las instrucciones sobre el tipo de riesgo y esté dotado de los elementos de protección personal aislantes.
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Una puesta a tierra (ground) es un medio a través del cual un equipo o circuito eléctrico es conectado a tierra (earth) o a algún cuerpo conductor.
Que es una Tierra?
IEEE Std. 81
Conexión de baja impedancia con la suficiente capacidad de disipar corriente, para prevenir almacenamiento de carga que pueda resultar en un peligro para los equipos conectados o las personas.
NEC ART 800-30
Para proteger al personal del choque eléctrico.Para proteger a los equipos.Para despejar rápidamente las fallas a tierra.Para disipar la corriente de los rayos en el sistema.Para proveer un nivel de voltaje de referencia.
Por que se requiere una puesta a tierra
V - V = TENSIÓN DE PASO
V V1 2
1 2
I
CORRIENTE DISIPADA EN LA TIERRA
I
V - V = TENSIÓN DE TOQUE43
TOQUE PASO
V4
V3
Descarga de rayo
Tensión depaso
Tensión detoque
Tensión demalla
Ep
EtEm
Voltajes con la malla de tierra
IEEE Std 80-2000
Corriente máxima que tolera una persona de 50 Kg, con una probabilidad del 95% de sobrevivencia (max3 seg).
t0.116Ib =
Donde:Ib = Corriente en amperios t = Duración de la corriente en segundos
Corriente tolerable (Dalziel)
IEEE Std 80-2000
El suelo tiene una resistividad eléctrica baja, pero no es cero.
La efectividad del sistema de puesta a tierra es afectada por la resistividad de la tierra.
La resistividad cambia con factores como ºC, profundidad, humedad, homogeneidad, etc.
Es necesario conocer esta resistividad.
Efecto del suelo o el terreno
♦ Se inyecta una corriente y se mide el voltaje, calculando la resistencia mediante la ley de Ohm.
♦ Se emplea una corriente de onda cuadrada para filtrar los harmónicos y transitorios, y para evitar la interferencia durante la medición.
Medición de la resistividad
Método de dos electrodos
IEEE Std 81-1983
Es un método aproximado para pequeños volúmenes de suelo.
Figura 6. Curva Resistencia Vs Distancia
Potenciales entre dos electrodos
IEEE Std 81-1983
Resistencia de tierra
5 ΩSubestaciones pequeñas (IEEE)
Estructuras de líneas de transmisión o torrecillas metálicas de distribución con cable guarda 20 Ω
Centrales y Subestaciones de alta y extra alta tensión. 1 Ω
Subestaciones de media tensión. 10 Ω
Protección contra rayos. 10 ΩNeutro de acometida en baja tensión. 25 Ω
Malla de la subestación.
Tierra infinita.
Linea de transmisión.
Resistencia de la malla de tierra
IEC 60479-1.
La medición de la resistencia de puesta a tierra se realizapara:
1. Determinar la resistencia real de la conexión a tierra.2. Verificar los cálculos.3. Determinar (a) el aumento y variación de los potenciales
en un área, como resultado de una corriente de falla, (b) la habilidad de la conexión para proteger contra rayos y para facilitar la operación de radio transmisión.
4. Obtener datos necesarios para el diseño de la protección de edificios, así como de los equipos y el personal que estén en ellos.
Medición de la resistencia de unapuesta a tierra
IEEE Std 81-1983
R = ρ L / a
Donde:
♦ ρ es la resistividad de tierra en ohm-cm♦ L es el largo del electrodo♦ a es el área de sección del electrodo
Resistencia de un electrodo
Métodos de prueba mas usados:
• Método de la caída de potencial.
• Método del 62 %.
Medición de la resistencia de un apuesta a tierra
Consiste en graficar la relación V/I = R, como función de la distancia x. El electrodo de potencial se aleja en pasos desde el punto de tierra bajo prueba y un valor de R es obtenido en cada punto. La resistencia se grafica como función de la distancia y el valor en ohmios en el cual la curva cambia de tendencia, se toma como el valor de la resistencia de la puesta a tierra bajo prueba.
IEEE Std 81-1983
Método de la caída de potencial
♦ Se toman medidas de una gran cantidad de puntos, para obtener la curva de resistencia de tierra.
♦ Alta confiabilidad, pero requiere mucho tiempo y trabajo.♦ Distancia D(50 m?) , espacio a?.
Método de la caída de potencial
D
a
♦ Esta basado en el método de caída de potencial.♦ Toma una sola medida. ♦ Es rápido y fácil.♦ Asume que las condiciones son ideales (distancia
apropiada entre electrodos y suelo homogéneo).
Método del 62%
A V
Voltajeregulado
Malla de tierra
Línea telefónica
Tierra remota
12
12
Medición de resistencia de una SE
