Puestas a tierra de las instalaciones eléctricas de potencia La puesta a tierra de las instalaciones tiene varias misiones. La que se analiza a continuación es la de reducir las corrientes que puedan circular por el cuerpo de las personas debido principalmente a corrientes de falla en instalaciones de generación, transformación o transmisión de energía eléctrica. Las puestas a tierra están constituidas por uno o varios electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conectan dichos electrodos a los elementos que deban quedar puestos a tierra. Las funciones de la puesta a tierra es derivar al terreno las corrientes de falla o las debidas a descargas atmosféricas.

Una puesta a tierra adecuada logra: . Limitar la diferencia de potencial que en un momento dado puede presentarse entre estructuras metálicas y tierra . Posibilitar la detección de fallas a tierra y asegurar la actuación de las protecciones, eliminando o disminuyendo el riesgo que supone una avería para las personas o las partes del sistema. . Limitar las sobretensiones internas que puedan aparecer en la red eléctrica según las condiciones de explotación. . Evitar que las tensiones de frente abrupto que originan las descargas atmosféricas provoquen cebado de aisladores en el caso de instalaciones a la intemperie.

Como se adelantó, se tratará en adelante en lo que respecta a la seguridad de las personas. Se supone que una instalación de puesta a tierra se diseña y construye de forma tal que en ningún punto normalmente accesible del interior o exterior donde las personas puedan circular o permanecer, exista el riesgo de que puedan estar sometidas a una tensión peligrosa durante cualquier defecto de la instalación eléctrica. No hace falta profundizar demasiado en el análisis para mostrar que es imposible prevenir en todo momento, en todo lugar y bajo todas las circunstancias, la presencia de tensiones peligrosas.

Es entonces responsabilidad del ingeniero intentar disminuir esa probabilidad tanto como razonablemente se pueda. La parte más difícil en esta tarea es la determinación de los posibles valores de tensión o corriente a los que puede quedar expuesta una persona cuando con su cuerpo conecta dos partes del sistema eléctrico, en particular cuando una de esas partes es el suelo. Según cómo sea esa conexión, se tratará de . Tensión de contacto: es la que aparece entre partes del cuerpo cuando una persona toca un elemento unido a la instalación que está puesto a tierra y a la vez el terreno. La tensión que aparece es por lo general la más peligrosa.

. Tensión de paso: es la que aparece entre los pies de una persona cuando entre ellos media una distancia de un paso (para las normas se toma un metro). . Tensión transferida: es la que aparece entre partes del cuerpo cuando una persona toca un elemento no directamente unido a la instalación, que está puesto a tierra, y a la vez el terreno. La tensión transferida es un caso especial de la tensión de contacto, en la que el elemento tocado no forma parte de la instalación eléctrica. En las figuras se muestran el significado físico y eléctrico de la tensión de contacto y de la tensión de paso.

Tensiones de contacto, de paso y transferida

En las siguientes figuras se muestran los esquemas físico y eléctrico que se emplean para determinar las tensiones y corrientes de contacto y de paso.

Circuito eléctrico de la tensión de contacto

Circuito eléctrico de la tensión de paso Las resistencias del cuerpo Rc y del contacto pie-suelo Rps se determinan fácilmente. Las resistencias del circuito de tierra Rt1,2,3 son de cálculo complicado.

En forma simplificada, despreciando las caídas de tensión en las resistencias Rt1,2,3

Circuito eléctrico de la tensión de contacto

Circuito eléctrico de la tensión de paso

Corrientes Valores admisibles de corriente Las normas determinan los valores de corriente admisible como función del tiempo. A continuación se muestran los valores especificados por las normas más conocidas. VDE 0141(la Norma IRAM 2281 está basada en la VDE) La Norma VDE indica valores de tensión de contacto en función del tiempo, no de corriente. No se indica valor de resistencia del cuerpo, pero tomando un valor de 1000 Ω se tiene la gráfica siguiente:

Biegelmeier Gottfried Biegelmeier (Austria) ha publicado una gráfica de corriente admisible en función del tiempo, la llamada curva Z. No propone un valor de resistencia del cuerpo

Normas suizas Las normas suizas proponen una corriente admisible según la gráfica siguiente, sin indicar valor de resistencia del cuerpo.

IEEE La Guía 80/2000 del IEEE se basa en estudios hechos por Dalziel con animales. Propone valores de corriente en función del tiempo y del peso del individuo.

kg 50para /116.0 tIC =

kg 70para /157.0 tIC = La corriente admisible en función del tiempo se muestra en la gráfica:

IEC, CENELEC, ITU La IEC 479-1 (lo mismo que la CENELEC HD 637-1, y la ITU-T K.33), consideran la resistencia del cuerpo variable con la tensión, como así también con el circuito que forma el mismo. La corriente admisible en función del tiempo se toma considerando una probabilidad de fibrilación ventricular de 5%, lo que corresponde a la curva que se muestra en la figura siguiente

Comparación de las diferentes normas En la figura siguiente se muestran las curvas correspondientes a cada norma.

Resistencia La Guía IEEE 80/2000 asume una resistencia constante de 1000 Ω, pero admite además considerar la resistencia del contacto pie-suelo. Rps= 1.5ρ para dos pies en paralelo (contacto) Rps= 6.0ρ para dos pies en serie (paso) La Guía 80 indica cómo calcular el efecto de una capa de material de alta resistividad sobre el terreno para reducir una reducción de las corrientes de contacto y de paso, debido a un aumento de la resistencia de contacto pie-suelo.

Rps= 1.5ρsCs para dos pies en paralelo (contacto) Rps= 6.0ρsCs para dos pies en serie (paso)

09.02)/1(09.01

+−

−=s

ss h

C ρρ

ρ = resistividad del terreno ρs = resistividad de la capa superficial agregada hs = espesor de la capa En la figura siguiente se muestran los valores de Cs en función de hs con k= (ρ -ρs)/(ρ+ ρs) como parámetro

IEC-CENELEC-ITU La resistencia del cuerpo varía con la tensión según la siguiente gráfica, valores que no se exceden en el 50% de los casos

Aparte de la variación de resistencia con la tensión, también varía con el circuito (parte del cuerpo afectada)

Los números indican el porcentaje de la impedancia interna del cuerpo humano para la parte indicada, en relación con el circuito mano-pie. Nota: Para calcular la impedancia total del cuerpo para una trayectoria dada de la corriente, se deben sumar las impedancias parciales como así también las impedancias de la piel de las áreas de contacto. Los números fuera del cuerpo muestran las porciones internas de la impedancia a añadir al total, cuando la corriente entra por ese punto.

Esquema simplificado

Zip: Impedancia interna parcial de una extremidad (brazo o pierna) Nota: La impedancia interna desde una mano a ambos pies es aproximadamente el 75%, la impedancia desde ambas manos a ambos pies es el 50% y la impedancia desde ambas manos al tronco del cuerpo es el 25% de la impedancia desde mano a mano o desde mano a pie.

La publicación ITU K33 indica valores de resistencia del calzado, según la tabla siguiente

Resistencias del calzado en kΩ

Tipo y estado del calzado Suela de cuero

Suela de elastómero

Zapatos secos 3000 2000 Zapatos húmedos o mojados, suelo duro

5 30

Zapatos húmedos o mojados, suelo flojo

0.25 3

La resistencia del contacto pie-suelo se puede calcular como sigue

Rps= 1.5 ρ

ρ resistividad del suelo en Ωm Rps resistencia pie-suelo en Ω

Factor cardíaco de la corriente Las curvas tiempo-corriente son válidas también para otros circuitos que mano izquierda-ampos pies, pero es necesario introducir un factor cardíaco para la corriente. Este factor representa la relación entre la densidad de corriente en el corazón para el circuito considerado y la densidad de corriente en el corazón cuando la corriente de la misma magnitud circula desde la mano izquierda a los dos pies. La corriente circulando por circuitos diferentes de mano izquierda-ambos pies que representan el mismo de fibrilación ventricular que si circularan por el circuito mano izquierda-ambos pies se puede calcular usando la ecuación siguiente:

FII refx /=

F: factor cardíaco de la corriente Ix: corriente para un circuito dado Iref: corriente de referencia (para circuito mano izquierda-ambos pies) El factor cardíaco según la IEC 479-1 se muestra en la tabla siguiente

Trayectoria de la corriente Factor cardíaco Mano izquierda a pie izquierdo, pie derecho o ambos pies

1.0 Ambas manos a ambos pies 1.0 Mano izquierda a mano derecha 0.4 Mano derecha a pie izquierdo, pie derecho o ambos pies

0.8 Espalda a mano derecha 0.3 Espalda a mano izquierda 0.7 Pecho a mano derecha 1.3 Pecho a mano izquierda 1.5 Nalgas a mano izquierda, mano derecha o ambas manos

0.7

Por ejemplo, una corriente de 200 mA de mano a mano tiene la misma probabilidad de producir fibrilación ventricular que una corriente de 80 mA de mano izquierda a ambos pies.

Fibrilación ventricular La fibrilación ventricular es la desincronización de las fibras del músculo cardíaco, que es la causa de muerte en caso de electrocución, ya que produce el paro cardíaco por falta de irrigación del mismo corazón. En la figura siguiente se muestra un período de un ECG normal. El corazón es más sensible a la fibrilación ventricular cuando el choque eléctrico se produce en el tiempo en el que el corazón se está recobrando de la excitación de su marcapasos natural.

Ocurrencia del período vulnerable de los ventrículos durante un ciclo cardíaco. Los números designan las etapas subsiguientes de la propagación de la excitación.

Inicio de la fibrilación ventricular en el período vulnerable. Efectos en el electrocardiograma (ECG) y en la presión sanguínea

Tensiones Valores admisibles de tensión Las normas determinan los valores de tensión admisible como función del tiempo. A continuación se muestran los valores especificados por las normas más conocidas. VDE 0141(la Norma IRAM 2281 está basada en la VDE) La Norma VDE sólo indica valores de tensión de contacto en función del tiempo.

Biegelmeier Gottfried Biegelmeier (Austria) ha publicado una gráfica de corriente admisible en función del tiempo, la llamada curva Z. No propone un valor de resistencia del cuerpo, pero admitiendo una resistencia de 1000 Ω se tiene la curva de la figura siguiente

Normas suizas Las normas suizas proponen una tensión admisible según la gráfica siguiente

IEEE La Guía IEEE 80 propone una resistencia del cuerpo de 1000 Ω, y admite la consideración de resistencias de contacto pie-suelo, con el posible agregado de una resistencia adicional por el efecto de una capa de material de alta resistividad. Partiendo de la corriente admisible

kg 50para /116.0 tIB =

kg 70para /157.0 tI B =

Con las resistencias de contacto pie-suelo Rf= 1.5ρ para dos pies en paralelo (contacto) Rf= 6.0ρ para dos pies en serie (paso) + Y el efecto de una capa de material de alta resistividad sobre el terreno para reducir una reducción de las corrientes de contacto y de paso, debido a un aumento de la resistencia de contacto pie-suelo. Rf= 1.5ρsCs para dos pies en paralelo (contacto) Rf= 6.0ρsCs para dos pies en serie (paso)

09.02)/1(09.01

+−

−=s

ss h

C ρρ

ρ = resistividad del terreno ρs = resistividad de la capa superficial agregada hs = espesor de la capa Se llega a que las tensiones de contacto y de paso resultan

tCE sskgcontacto /157.0)5.11000(70 ⋅⋅+= ρ

tCE sskgcontacto /116.0)5.11000(50 ⋅⋅+= ρ

tCE sskgpaso /157.0)61000(70 ⋅⋅+= ρ

tCE sskgpaso /116.0)61000(50 ⋅⋅+= ρ

Si no hay capa agregada, Cs=1 y ρs=ρ Si sólo se considera la resistencia del cuerpo, para estar en las mismas condiciones que las otras normas, la tensión aplicada al cuerpo admisible es la que se muestra en la figura siguiente

Considerando la resistencia de contacto pie-suelo, para la tensión de contacto correspondiente a 75 kg con la resistividad del suelo como parámetro se tiene la figura siguiente

IEC, CENELEC, ITU La IEC 479-1 (lo mismo que la CENELEC HD 637-1, y la ITU-T K.33), consideran la resistencia del cuerpo variable con la tensión, como así también con el circuito que forma el mismo. La corriente admisible en función del tiempo se toma considerando una probabilidad de fibrilación ventricular de 5%, lo que corresponde a la curva que se muestra en la figura siguiente, considerando que no hay resistencias adicionales.

Comparación de las diferentes normas En la figura siguiente se muestran las curvas correspondientes a cada norma.

Ejemplo de un cálculo. Como ejemplo se muestran los resultados obtenidos para la red de puesta a tierra de la estación transformadora y centro de distribución Calchines en la ciudad de Santa Fe. Descripción del caso y datos del sistema: PROGRAMA ERDE2 - CALCULA POTENCIALES DE LA RED DE TIERRA ------------------------------------------------------------ ET 132/33/13.2 kV y Centro de Distribucion Calchines ------------------------------------------------------------ LONGITUD MAXIMA DE LOS ELEMENTOS (M) 2.50000 CORRIENTE DISPERSADA (KA) 10.00000 RESISTIVIDAD DEL TERRENO ESTRATO SUPERIOR (OHM*M) 70.00000 ESPESOR DEL ESTRATO (M) 0.80000 ESTRATO INFERIOR (OHM*M) 10.00000 COEFICIENTE DE REFRACCION -0.75000 RESISTIVIDAD DEL RECUBRIMIENTO (OHM*M) 1000.00000 ESPESOR DEL RECUBRIMIENTO (M) 0.10000 TIEMPO DE ACTUACION DE LA PROTECCION (S) 1.00000

Resistencia y potencial de la red: RESISTENCIA TOTAL DE LA RED (OHM) 0.05778 POTENCIAL TOTAL DE LA RED (V) 577.79738

Valores a cumplir según las normas: IEEE Std. 80 Cs 0.71138 FACTOR DE REDUCCION TENSION DE CONTACTO 0.48378 FACTOR DE REDUCCION TENSION DE PASO 0.18982 RESISTENCIA DE DOS PIES EN PARALELO RESISTENCIA DE CONTACTO (OHM) 2067.06897 RESISTENCIA DE DOS PIES EN SERIE RESISTENCIA DE PASO (OHM) 5268.27586 CORRIENTE ACCIDENTAL ADMISIBLE CORRIENTE PARA 50 KG (mA) 116.00000 CORRIENTE PARA 70 KG (mA) 157.00000 TENSIONES ADMISIBLES SIN CAPA DE PROTECCION TENSION DE CONTACTO PARA 50 KG (V) 128.18000 TENSION DE CONTACTO PARA 70 KG (V) 173.48500 TENSION DE PASO PARA 50 KG (V) 164.72000 TENSION DE PASO PARA 70 KG (V) 222.94000 CON CAPA DE PROTECCION TENSION DE CONTACTO PARA 50 KG (V) 239.78000 TENSION DE CONTACTO PARA 70 KG (V) 324.52983 TENSION DE PASO PARA 50 KG (V) 611.12000 TENSION DE PASO PARA 70 KG (V) 827.11931

VDE 0141/1989 TENSION DE CONTACTO ADMISIBLE (V) 78.55947 CENELEC FACTOR DE CORRECCION DE RESISTENCIA RESISTENCIA DE CONTACTO 78.55947 RESISTENCIA DE PASO 0.75000 CORRIENTE CORPORAL ADMISIBLE (mA) 1.00000 RESISTENCIA DE CONTACTO CORREGIDA (Ohm) 80.00000 RESISTENCIA DE PASO CORREGIDA (Ohm) 1340.01413 SIN CAPA DE PROTECCION RESISTENCIA ADICIONAL RA1 (Ohm) 1607.66706 RESISTENCIA ADICIONAL RA2 (Ohm) 0.00000 RESISTENCIA ADICIONAL TOTAL RA (Ohm) 105.00000 TENSION DE CONTACTO A CIRCUITO ABIERTO (V) 105.00000 TENSION CORPORAL DE CONTACTO ADMISIBLE (V) 115.60113 TENSION DE PASO A CIRCUITO ABIERTO (V) 107.20113 TENSION CORPORAL DE PASO ADMISIBLE (V) 162.21336 CON CAPA DE PROTECCION RESISTENCIA ADICIONAL RA1 (Ohm) 128.61336 RESISTENCIA ADICIONAL RA2 (Ohm) 0.00000 RESISTENCIA ADICIONAL TOTAL RA (Ohm) 1500.00000 TENSION DE CONTACTO A CIRCUITO ABIERTO (V) 1500.00000 TENSION CORPORAL DE CONTACTO ADMISIBLE (V) 227.20113 TENSION DE PASO A CIRCUITO ABIERTO (V) 107.20113 TENSION CORPORAL DE PASO ADMISIBLE (V) 608.61336

Esquema de los conductores:

La zona sombreada corresponde a las áreas protegidas con material de mayor resistividad. Las líneas de puntos corresponden a perfiles de potencial solicitados. En las figuras siguientes se muestran las corrientes de paso y de contacto

Perfiles de potencial, corrientes y tensiones de contacto y de paso.

Densidad de corriente en los conductores