Mallas de Puesta a Tierra

8/10/2019 Mallas de Puesta a Tierra

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5.3.1.- Objetivos de una malla.5.3.2.- Tipos de mallas.5.3.3.- Resistividad equivalente del terreno.5.3.4.- Resistencia de puesta a tierra.5.3.5.- Seguridad hacia las personas.5.3.5.1.- Tensin de contacto.5.3.5.2.- Tensin de paso.

La malla de tierra es un conjunto de conductores desnudos que permiten conectar los equipos que componen una instalacin a unmedio de referencia, en este caso la tierra. Tres componentes constituyen la resistencia de la malla de tierra:

La resistencia del conductor que conecta los equipos a la malla de tierra.

La resistencia de contacto entre la malla y el terreno.

La resistencia del terreno donde se ubica la malla.

Una malla de tierra puede estar formada por distintos elementos:

Una o ms barras enterradas.

Conductores instalados horizontalmente formando diversas configuraciones.

Un reticulado instalado en forma horizontal que puede tener o no barras conectadas en forma vertical en algunos puntos de ella.

En la figura N 5. 1 se muestra un esquema general de una malla de puesta e tierra.

Figura N 5. 1 Configuracin general de una malla.

Las barras verticales utilizadas en la construccin de las mallas de tierra reciben el nombre de barras copperweld y estn construidascon alma de acero revestidas en cobre. El valor de la resistencia de una malla de tierra depende entre otros parmetros de laresistividad del terreno. El mtodo ms usado para determinar la resistividad del terreno es el de Schlumberger, el cual permitedeterminar las capas que componen el terreno, como tambin la profundidad y la resistividad de cada uno de ellos.

5.3.1.- Objetivos de una malla.

Los objetivos fundamentales de una malla de tierra son:

Evitar tensiones peligrosas entre estructuras, equipos y el terreno durante cortocircuitos a tierra o en condiciones normales deoperacin.

Evitar descargas elctricas peligrosas en las personas, durante condiciones normales de funcionamiento.
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Proporcionar un camino a tierra para las corrientes inducidas. Este camino debe ser lo ms corto posible.

5.3.2.- Tipos de mallas.

Se deben distinguir dos tipos de mallas en una instalacin elctrica que son:

Mallas de alta tensin.

Mallas de baja tensin.

Ambas mallas deben estar separadas de modo que la induccin de voltajes de la malla de alta en la de baja sea a 125 V, a menosque la resistencia de cada una de ellas, en forma separada, sea inferior a 1 W , en este caso pueden las mallas conectarse entre s.

La resistencia de una malla de baja tensin, segn la norma editada por la Superintendencia de Servicios Elctricos y Combustibles(SEC) queda limitada como se muestra en la expresin (5.1).

(5.1)

Donde:

65V : valor de tensin mximo a que puede quedar sometida una persona cuando sucede un cortocircuito a tierra.

I : valor mximo de la corriente de falla monofsica, definida por la corriente de operacin de las protecciones.

5.3.3.- Resistividad equivalente del terreno.

Una forma ideal de realizar clculos de resistencia y solicitaciones de voltaje para una puesta a tierra ubicada en un terreno de 2 oms estratos, sera de disponer de una resistividad equivalente que transforme un terreno en resistividad ? 1 , ? 2 , ? n y espesoresh 1 , h 2 ,h n-1 . En un terreno homogneo de resistividad ? eq ; esto, es un terreno que produjera los mismos valores deresistencia y las mismas solicitaciones que el terreno real.

Segn el mtodo de Burdoff-Yakobs el cual propone una equivalencia de un sistema de 3 o ms estratos, a un sistema de 2 estratos,equivalente dentro de un margen aceptable.

De acuerdo con Burgsdorf-Yakobs, una puesta a tierra compuesta por un conjunto de conductores horizontales enterrados a unaprofundidad h y un conjunto de barras verticales de longitud l, se aproxima a una prisma metlico recto en la medida que seincrementa el nmero de elementos verticales y su resistencia disminuye en forma asinttica hasta un valor mnimo.

Sobre la base antes expuesta, esta equivalencia aproximada a las primeras n capas hasta una profundidad de h, quedadeterminado por los siguientes parmetros y expresiones [6]

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)


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(5.7)

Finalmente:

(5.8)

Donde:

A : Area de la malla de puesta a tierra (m)

r : radio equivalente del rea de la malla (m)

h : profundidad de la malla (m)

h i : profundidad de la capa i (m)

? : resistividad equivalente del terreno

? i : resistividad equivalente de la capa i (O-mt)

S : rea que cubre el permetro del electrodo de tierra (m 2 )

Para un terreno de 3 capas, la situacin de resistividad y profundidad puede clasificarse segn la figura N 5.2.

Figura N 5.2 Configuracin de un terreno de tres capas.

La resistividad equivalente de un terreno es dependiente de las dimensiones y ubicacin del electrodo y se modifica si cambia surea o profundidad (tabla N 5.1).

Tabla N 5.1


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Capa Resistividad

(O-m)

Espesor

(m)

1 85 2

2 500 5

3 2000 infinito

Cuando se desea conocer la corriente durante un cortocircuito a tierra, es necesario que hacer uso de las mallas de secuencia. Apartir de las relaciones de corriente de falla monofsica se puede realizar el circuito de la figura N 5.3.

Figura N 5.3 Conexin de mallas de secuencia considerando la resistencia de falla a tierra.

En la figura N 5.3, R es el valor de resistencia de tierra, Io el valor de la corriente de secuencia cero. E es la tensin de fase neutrodel sistema, antes de producirse el cortocircuito. Mediante un anlisis de las mallas de secuencia a travs de las distintas relaciones,se puede obtener finalmente la siguiente expresin.

(5.9)

Donde:

I f : Corriente de cortocircuito monofsica a tierra.

5.3.4.- Resistencia de puesta a tierra.

La resistencia de la malla de tierra de una subestacin, depende del terreno en el cual se instale, la superficie de la cubierta, laresistividad equivalente del terreno, el valor de la resistencia de los electrodos, etc.

Segn Schwarz, la resistencia de una malla compuesta es:


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(5.10)

Donde

R 1 : Resistencia del reticulado

R 2 : Resistencia de las barras

R 12 : Resistencia mutua entre el reticulado y las barras

Para calcular cada una de las resistencias se utilizan las siguientes ecuaciones

(5.11)

(5.12)

(5.13)

Donde:

d : Dimetro del conductor (m)

h : Profundidad de la malla (m)

A : Area que cubre la malla (m 2 )

L 1 : Longitud total de los conductores de la malla (m)

L 2 : Longitud de los electrodos verticales (m)

? : Resistividad del terreno (Om)

n : Cantidad de electrodos verticales

r : Radio de los electrodos verticales (m)

l : Longitud de la barra (m)

Los factores K 1 y K 2 se calculan de acuerdo con las siguientes expresiones.

(5.14)


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(5.15)

Donde:

a : Ancho de la malla (m)

b : Largo de la malla (m)

5.3.5.- Seguridad hacia las personas.

El riesgo de muerte de una persona que ha sufrido contacto con algn elemento energizado, depende de.

Frecuencia.

Magnitud.

Duracin de la circulacin de corriente a travs del cuerpo humano.

El tiempo que una persona puede soportar la circulacin de una corriente elctrica a travs de su cuerpo, sin sufrir dao corporal(fibrilacin ventricular), es bastante corto y puede ser determinada mediante una ecuacin experimental dada en la ecuacin (5.16)

(5.16)

Donde:

I k : Valor eficaz mximo de la corriente a travs del cuerpo humano (A)

t : Tiempo de duracin del contacto (seg.)

0.116 : Constante emprica

Esta ecuacin (5.16) permite determinar el potencial mximo al que puede quedar sometido una persona cuando queda sometida auna diferencia de potencial.

La ANSI/IEEE ha propuesto en su forma st.80, una serie de expresiones para el calculo aproximado de la solicitaciones de voltaje enel interior y contorno de una malla a tierra. Estas expresiones se basan en una modelacin simplificada de una malla,complementada con estudios experimentales realizados en modelos (cuba electroltica). Las proposiciones iniciales se han idomodificando en las nuevas versiones de la norma, en la medida que los mtodos ms exactos disponibles, han indicado diferenciasimportantes con los valores obtenidos de este mtodo aproximado.

5.3.5.1.- Tensin de contacto.

La tensin de contacto es aquella a la que queda sometida una persona al tocar un equipo energizado (figura N 5.4).


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Figura N 5. 4Tensin de contacto

La mxima tensin de contacto a que puede quedar sometida una persona se determina mediante la ecuacin (5.17).

(5.17)

Donde:

: Tiempo de duracin del contacto (seg.)

R p : Resistencia de contacto de un pie con el terreno

Una aproximacin aceptada para la tensin de contacto queda determinada por la siguiente ecuacin (5.18). La tensin de contactoaproximada deber ser menor al valor mximo admisible.

(5.18)

El valor de K m y Ki se puede hallar mediante las siguientes ecuaciones

(5.19)

(5.20)

Donde:

D : Distancia entre conductores paralelos (m)


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h : Profundidad de la malla (m)

d : Dimetro del conductor de la malla (m)

n : Numero de conductores del lado mayor de la malla

5.3.5.2.- Tensin de paso.

La tensin de paso (figura N 5.5) corresponde a la elevacin de potencial debido a la corriente de cortocircuito que circula desde lamalla al terreno, y aunque a su vez forzara a que circule una corriente por el cuerpo de una persona que se encuentre parada sobrela malla. La tensin de paso se determina para una distancia entre puntos a considerar con separacin de 1 metro.

Figura N 5.5 Tensin de paso.

La tensin de paso mxima a que puede quedar sometida una persona se indica en la siguiente ecuacin (5.21).

(5.21)

La tensin de paso deber ser menor al valor mximo permisible, estas expresiones quedan determinadas de la siguiente ecuacin(5.22)

(5.22)

Donde:

K s : Factor de proporcionalidad debido a la geometra de la malla

K m : Factor de proporcionalidad debido a la geometra de la malla

K i : Factor de proporcionalidad del terreno en donde se instala la malla


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? : Resistividad del terreno

I : Corriente dispersada por la malla de tierra

L : Longitud total equivalente de los elementos que conforman la malla, considerando conductores y mallas

t : Tiempo de operacin de las protecciones

La resistencia de contacto entre un pie y el terreno, es la del calzado de la persona, mas la resistencia de contacto de ste con elterreno. La primera de ellas, se acostumbra suponerla igual a cero, considerando posibles condiciones de humedad. La resistencia de

contacto de un pie en el terreno se puede determinar aproximadamente aceptando su equivalencia con una plancha circular de unradio de 8 cm.

Laurent y Heppe han propuesto para esta situacin, expresiones que permiten determinar aproximadamente la resistencia de unelectrodo de pequea dimensiones en comparacin con el espesor del estrato superior. Los valores calculados con estas expresionesson muy similares, siendo mas simple el clculo con la de Laurent (5.23).

(5.23)

Donde:

r : 0.08 metros

? s : Resistividad del material artificial que cubre el rea de la puesta a tierra.

h s : Espesor, normalmente entre 0.10 y 0.15 metros.

? t : Resistividad superior del primer estrato natural del terreno.

En la figura N 5.6 se indica, para h s = 0.10 y 0.15 metros, los valores de resistencia R p de contacto de un pie con el terreno. Deella se desprende que el valor de resistencia de un pie en el terreno varia, dependiendo de la resistividad del estrato superior delterreno natural, entre 1.5 y 3 veces ? s , para h s = 0.10 metros; y entre 2 y 3 veces ? s , para h s = 0.15 metros. Esto difiere delvalor constante 3 ? s , tradicionalmente utilizado al no considerar el efecto del terreno bajo la capa de materia artificial.

Figura N 5.6 Resistencia R p de contacto de un pie en el terreno


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Finalidad: conocer las propiedades magnticas o dielctricas (perfil elctrico) representativos de la calidad del terreno, que permitanun adecuado diseo de la puesta a tierra.

Metodologa , la medicin se debe efectuar en la zona del terreno en que se construir la puesta a tierra, de no ser ello posible por

falta de espacio, por la presencia obstculos u otras razones atendibles, la medicin se debe efectuar en otra rea lo mas prximaposible a dicha zona.

Son aceptadas como mtodos normales de medicin, las configuraciones tetraelectrdicas conocidas como Schlumberger o Wennerlas cuales pueden aplicarse indistintamente, pero una sola de ellas en cada oportunidad.

Los electrodos de medida se disponen sobre una lnea recta, con separacin de hasta 100 m. De no ser posible la disposicin enrecta, se debe disponer sobre una misma lnea de nivel, si la medicin se esta efectuando en un cerro o lomaje, o bien si algnobstculo sobre un terreno llano, impide cumplir esta condicin, la medicin puede hacerse sobre dos rectas que formen un ngulono mayor a 15, con vrtice en el centro de la medicin. Si estas condiciones no pueden ser cumplidas, la medicin se debe efectuaen otra zona prxima que permita cumplirlas.

Si no se dispone de terreno como para obtener un ala de 100 metros son aceptables mediciones con alas de 50 metrosExcepcionalmente, por condiciones extremas, se aceptan alas de hasta 30 metros.

Instrumentos empleados : se utilizaran geohmetros de cuatro terminales con una escala de 1O, con una resolucin no mayor de0.01O y una escala mxima no inferior a 100O.

Calificacin de resultados: no procede en este caso la calificacin de resultados, dado que la medicin es la representacin objetivade las caractersticas naturales del terreno medido.

El mtodo de Schlumberger, cuya configuracin se muestra en la figura N 5.7, consiste en hacer circular una corriente entre losterminales C1 a C2 y por consecuencia aparece una diferencia de potencial entre los terminales P1 y P2.

Figura N 5.7 Mtodo de Schlumberger

Pasos a seguir en la medicin de resistividad del terreno:

Se conecta el instrumento para la prueba requerida como se muestra en la figura N 5.8.


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Figura N 5.8 Mtodo de Schlumberger

El centro de medicin (punto medio), se debe ubicar en el centro del terreno.

Se toman dos o ms conjuntos de lecturas, movindose a lo largo de dos lneas paralelas y perpendiculares.

La profundidad de enterramiento h de los electrodos no ser mayor que 10 cm. En el caso que L sea igual o menor que 10 m.Para los valores de L mayores de 10 m, la profundidad de enterramiento h debe ser mayor que 10 cm, no sobrepasando los 20cm.

La separacin L entre el centro demedicin y los electrodos de corriente C1 y C2, y la separacin A entre los electrodos seirn variando, y tomando las lecturas respectivas, de acuerdo al tamao del terreno.

Se debe calcular la resistencia en cada medida, esta se establece por la ley de Ohm (5.24).

(5.24)

Donde:

R : Resistencia medida en Ohm (O)

?V : Diferencia de potencial entre P1 y P2, medida en Volt (V).

I : Corriente que circula entre C1 y C2, medida en Amperes (A).

Para calcular la resistencia aparente de cada medida ? 1 , y completar el formulario de medidas de resistividad

(5.25)

Donde:

?1 : Resistividad aparente (Om).

R : Resistencia medida en Ohm (O)

L : Distancia de los electrodos de corriente con respecto al punto central.


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A : Distancia de los electrodos de potencia con respecto al punto central.

(NCH Elec. 4/2003 Apndice 7 prrafo 7.3)

5.5.1.- Consideraciones Prcticas

Finalidad :conocer el valor de resistencia de una puesta a tierra de acuerdo a un diseo especfico. Este valor ser comparado conel de diseo y ser utilizado para calificar la efectividad esperada de la puesta a tierra.

Metodologa : si bien el empleo de una fuente de corriente independiente y medicin de corriente y voltaje con instrumentosindividuales ofrece un mayor grado de precisin y seguridad, el conseguir los elementos necesarios con las caractersticas adecuadaal proceso de medicin puede presentar un grado de dificultad considerable y por ello lo usual es efectuar estas mediciones conalguno de los modelos de gehmetro disponible en el mercado; en cualquiera de ambos casos la metodologa es la misma ybsicamente deber seguir los pasos siguientes:

La tierra de referencia se ubicar en un punto que garantice estar fuera de la zona de influencia de la puesta a tierra por medircomo regla general se acepta que esto se logra ubicando la tierra de referencia a una distancia comprendida entre tres y seis veces

el alcance vertical de la puesta a tierra. Para una puesta a tierra enmallada este alcance vertical est representado por la longitud desu diagonal mayor.

La corriente se inyectar al suelo a travs de la puesta a tierra por medir y la tierra de referencia, puntos C1 y C2; el potencial semedir entre la puesta a tierra por medir y una sonda de posicin variable, puntos P1 y P2 de; ello significa que el circuito decorriente y de medicin de potencial tienen un punto comn en la puesta a tierra por medir, representado por la unin C1-P1. En ecaso de utilizar en la medicin un gehmetro de tres electrodos este punto comn viene dado en el instrumento y corresponde aterminal de la izquierda, ubicndose frente al instrumento; en el caso de utilizar un gehmetro de cuatro electrodos se deber hacerun puente entre C1 y P1 y este punto comn se conectar a la puesta a tierra por medir.

El desplazamiento de la sonda de medicin de potencial se har sobre tramos uniformes, recomendndose un espaciamiento deaproximadamente un 20avo de la distancia entre la puesta a tierra y la tierra de referencia. Para el caso de mediciones de tierras eninstalaciones de consumo o sistemas de distribucin un espaciamiento de cinco metros es recomendable.

La serie de valores obtenidas se llevar a un grfico con las distancias de enterramiento de la sonda de medicin de potencia

respecto de la puesta a tierra en abscisas y los valores de resistencia obtenidos en cada medicin en ordenadas. Si la parte planaesperada de la curva de valores de resistencia no se obtiene ello significa que no se ha logrado ubicar la tierra de referencia fuera dela zona de influencia de la puesta a tierra y la distancia entre ellas debe aumentarse hasta obtener dicho tramo horizontal. El origendel grfico, distancia cero, estar al borde de la puesta a tierra por medir.

Si por no disponer de terreno suficiente para lograr el alejamiento adecuado entre ambas tierras no es posible obtener la partehorizontal de la curva, una aproximacin confiable es adoptar el valor de resistencia obtenido a una distancia equivalente al 65% dela distancia entre la puesta a tierra y la tierra de referencia.

Los resultados de la medicin efectuada de este modo son independientes de los valores de resistencia propios de la tierra dereferencia y de la sonda de medicin de potencial, razn por la cual, la profundidad de enterramiento de estos elementos no es unfactor incidente en los resultados.

Nota: Esta condicin a llevado a la confusin bastante extendida de aceptar como valor representativo de la resistencia de la puesta

a tierra, al obtenido a una distancia de 20m, lo cual es vlido slo para el caso que el electrodo de puesta a tierra sea una barra de3m de largo y dimetro no superior a 20mm, enterrada en forma vertical.

Instrumentos empleados: puede emplearse en este caso el mismo instrumento de cuatro electrodos empleado para la medicinde resistividad de terreno, creando el punto comn uniendo los terminales C1 y P1, tal como se indic en la metodologa; en losltimos modelos de algunas marcas, este puente viene preparado internamente y el instrumento dispone de dos posiciones demedicin, las cuales se seleccionan mediante un botn. Existen tambin gehmetros de tres electrodos, que presentan como ventajaun costo considerablemente menor que los de cuatro, sin embargo su capacidad est limitada exclusivamente a la medicin deresistencias, en tanto los de cuatro electrodos sirven indistintamente para medir resistividades y resistencias.

Calificacin de resultados: el valor de resistencia obtenido de la medicin se comparar con el valor calculado en el proyecto y conlos valores lmites establecidos por la norma; en caso de que este valor sea igual o menor al calculado y cumpla con los lmites denorma, el valor ser certificado, en caso contrario se deber redisear la puesta a tierra y adoptar las disposiciones necesarias paracumplir con aquellas condiciones.
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5.5.1.- Consideraciones Prcticas

En toda medicin de resistencia de puesta a tierra, es necesario tener presente los posibles acoplamientos entre los circuitos decorriente y potencial, como tambin las corrientes y voltajes residuales en la zona de medicin. Estos aspectos, en combinacin conel tamao de la puesta a tierra a medir y el orden de magnitud de la resistencia, determinan el tipo de instrumento a emplear y losprocedimientos a seguir en la medicin.

Utilizacin de instrumentos porttiles, esta alternativa tiene una ventaja de una mayor simplicidad y rapidez en la medicin. Sin

embargo, lo reducido de las corrientes inyectadas y, por lo tanto, lo reducido de los voltajes medidos, hacen que estas mediciones sevean muy afectadas por los voltajes residuales que pueden existir en las zonas de medicin, sobre todo en el caso de instalacionesenergizadas. Se deben utilizar exclusivamente en puestas a tierra pequeas.

Inyeccin de corriente elevadas (1 50 A), para ello, se utiliza normalmente la alimentacin en baja tensin (220/350 V), o latensin de servicio auxiliares existentes en la instalacin. Las medidas se realizan con instrumentos tradicionales voltmetroampermetro. La medicin con corriente inyectadas altas, aun que mas compleja, elimina o aminora el efecto de los voltajesresiduales.

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