8/18/2019 Introduccion y Seguridad de Personas y Equipos
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Proyecto y Análisis de Sistemas
de Puesta a Tierra
Profesor: Dr. Ing. Angel Valcárcel Rojas
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El curso está dirigido a:
Ingenieros y otros profesionales que deben
resolver problemas relativos a la seguridad de
las personas y equipos en instalaciones de altatensión, como consecuencia de la circulación a
través del terreno de corrientes de gran
magnitud, presentes en condiciones de falla de
los sistemas eléctricos, o motivadas por otrotipo de perturbaciones, ya sean de origen
interno o externo a éste.
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Caractersticas generales del curso
! El curso está previsto para un total de "#
$oras, entre conferencias y clases prácticas.
! %a evaluación puede ser por exámenes
parciales o un examen final integral.
! Como texto está previsto un material preparado
por el profesor.
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&emas del curso'. Introducción
(. )eguridad de las personas y equipos eninstalaciones de alta tensión
*. +actores principales para el proyecto de una puestaa tierra
". Cálculo de la resistencia de puesta a tierra en unterreno $omogéneo
. Cálculo de la resistencia de puesta a tierra en unterreno no $omogéneo
-. )olicitaciones de voltae y dise/o seguro de puestasa tierra
0. Conceptos básicos sobre corrosión y su protección
1. 2edición de resistividad de suelos
3. 2edición de puestas a tierra
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El estudio del efecto de las corrientes que circulan
por el terreno y de las técnicas empleadas para
reducir sus riesgos, constituye el tema principal de
la teora, proyecto y dise/o de las puestas a tierra.
En los sistemas de puesta a tierra cada situación es
particular y como tal debe abordarse, por lo tanto, es
recomendable que quienes deben proyectar
sistemas de puesta a tierra, cono4can los
fundamentos que les permiten anali4ar las
diferentes situaciones que pueden presentarse. En
este sentido los obetivos de este curso son:
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'. Exponer una metodologa general para elproyecto de una puesta a tierra,
considerando aspectos tanto técnicoscomo de seguridad, abarcando lassiguientes fases:
5 6efinición de obetivos y requerimientos.
5 7nálisis general del problema.
5 8btención de la información requerida.
5 9royecto de la puesta a tierra.
5 Comprobación de la puesta a tierra.
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(. 9roporcionar los conocimientos básicos
para el análisis de situaciones particulares
que pueden presentarse en el proyecto de
una puesta a tierra.
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Introducción
! 8betivos de una puesta a tierra
! Clasificación de las puestas a tierra
! equisitos de una puesta a tierra
! 6efiniciones generales.
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8betivos de una puesta a tierra
! Contribuir a reducir los valores de sobrevoltaeque pueden aparecer en condiciones anormales
de operación en los sistemas eléctricos.
! 9roporcionar una va de baa impedancia paralograr la operación correcta de los elementos de
protección del sistema.
!
Conducir en forma eficiente $acia tierra las desca
rgas atmosféricas, limitando las diferencias de po
tencial que pudieran presentarse en la instalación
.
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Corriente residual de falla al ocurrir el contacto de una fase a tierra
en un sistema aislado
a
b
c
;
;
;
Ic
IbIa
C C
IF = Ia
C
RFR
T.R
Rf
;
;;
c
ba
Ic Ib
I+
3 ;
3 ;
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6escarga de sobrevoltaes de origen externo, mediante pararayos
Estructura
ayo
7rco
a
b
c
;
;
;
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)obrevoltae temporal en subestación la 7 de un sistema de
transmisión debido a falla en la subestación <
a
b
c
;
;
;
IFRFR
T.R
Rf
a
bc
Φ=0
IF
Φ=-IF R
)=E 7
)=E <
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a
b
c
R RT
T.R
R A
Circuito de retorno al neutro de una corriente residual de
falla.
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0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Longitud del arco (m)
R e s i s t e n c i a
d e l a r c o ( k o h m )
100 A
200 A
300 A
400 A
500 A
1000 A
esistencia de arco en función de su longitud y la corriente.
a 4.!"#$#%& I l R A ⋅=Ω
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IcIc
Ie>;e?
@e
@c
@&
&..
I
6escarga inversa en una estructura de una lnea de transmisión
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)olicitación del aislamiento de un transformador de distribución,
debido a un rayo
R 1
R 2
I
I/2 I/2
I/2
1 = R
1 I/2 2 0
13.2 kV / 0.220 kV
T.R.
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Clasificación de las puestas a tierra
! Puesta a tierra de protección.
Puesta a tierra de operación o funcionamiento.
! Puesta a tierra de servicio.
Es la que conecta conductivamente los elementos metálicos expuestos de unainstalación, aquellos elementos conductores, normalmente sin tensión >carcasas,
tuberas, crucetas , etc.? pero que pueden eventualmente adquirir un potencial
respecto tierra al producirse una falla en la instalación.
9ara el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos y de algunasde sus componentes es necesario en muc$as ocasiones establecer una
conexión a tierra en determinados puntos. Eemplos de este tipo de puesta a
tierra son la conexión a tierra del neutro de los generadores y de los
transformadores conectados en estrella, la conexión a tierra de los pararrayos,
cables protectores, etc.
En los trabaos de reparación y mantenimiento de muc$as instalaciones es
necesario conectar a tierra temporalmente las partes normalmente energi4adas
a fin de evitar accidentes debido a la reconexión indebida de la misma o a las
tensiones inducidas por sistemas energi4ados cercanos.
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equisitos de una puesta a tierra
'. equisitos de proyecto: que establecen las caractersticas
generales de la puesta a tierra.
(. equisitos de dise/o: caractersticas que deben tener los
constituyentes de una puesta a tierra, para que sea
efectiva, duradera, soporte las solicitaciones máximas
>mecánicas y eléctricas? a que puede estar sometida, etc.
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Requisitos de proyecto
%os requisitos normales de proyecto de una puesta a tierra, son:
! %a puesta tierra o sistema deberá tener, como máximo, un determinado valor de
resistencia establecido.
! %a puesta tierra o sistema deberá tener, como máximo, un determinado valor de
impedancia a impulso establecido.
! %a puesta tierra o sistema deberá abarcar un área tal que abarque todos los
elementos de la instalación que puedan adquirir potenciales peligrosos al
ocurrir una falla. 7demás los elementos de la puesta a tierra deben estar
dispuestos de manera que se cumpla con los requerimientos de seguridad para
las personas que trabaan o transitan en su interior o contorno.
! 6eben tenerse en cuenta los posibles riesgos que pueden presentarse para los
equipos instalados en el interior o exterior de la instalación protegida, y reali4ar
las acciones necesarias para disminuir estos riesgos de da/o a un mnimo,
considerando aspectos de costo=beneficio.
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equisitos de dise/o
%os requisitos de dise/o de una puesta a tierra dependen de las caractersticas particulares de esta y
de las condiciones del medio en que se encuentra. %os requisitos normalmente considerados son :
! %os diferentes elementos constituyentes de la puesta a tierra deberán poder conducir las corrientesmáximas que eventualmente puedan circular por ellos, durante el posible máximo tiempo, sin exceder
la temperatura máxima permisible. Esta temperatura depende del material de la puesta a tierra y del
tipo de unión usado entre sus partes. Este requerimiento es aplicable tanto a los elementos
>electrodos? que forman la puesta a tierra propiamente dic$a, como los elementos de unión entre la
puesta tierra, y los equipos y estructuras >cables de unión, prensas, conectores, etc.?.
! %os elementos de la puesta a tierra deberán soportar sin deterioro, los esfuer4os mecánicos a quepueden estar sometidos durantes las faenas de construcción.
! El material empleado en la construcción de la puesta a tierra deberá ser resistente a eventuales
ataques corrosivos del terreno y atmósfera.
! Ao se usaran en la puesta a tierra, materiales que pudieran producir corrección galvánica de
importancia en otros elementos metálicos enterrados. Elementos que pueden ser afectados son
tuberas de diferente uso, bases de estructuras, anclaes de estructuras de lneas atirantadas, etc.
! )e deberán sobredimensionar y proteger los conductores de conexión a la puesta a tierra en aquellos
casos en que el calentamiento normalmente aceptado en otras circunstancias, pudiera dar lugar a
incendios debido a la presencia de materiales de fácil combustión o inflamables.
! En 4onas con emanaciones gaseosas inflamables, deberá recurrirse a métodos adecuados para evitar
en su casi totalidad, posibles arcos eléctricos entre partes metálicas o entre estas y el terreno
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6efiniciones generales1. Tierra: Es la masa conductiva del terreno como un todo.
. Puesta a tierra: Es un conunto de uno mas electrodos metálicosdesnudos, enterrados en el terreno e interconectados eléctricamente
entre si, cuyo obetivo fundamental es proporcionar un contacto
eléctrico conductivo entre tierra y otros elementos metálicos que se
encuentran en una instalación sobre el terreno o en el terreno mismo.
!. Poner a Tierra: Es una acción intencional, mediante la cual
elementos activos del sistema, se conectan a una puesta a tierra, a
manera de establecer, de forma sólida, la tierra como potencial de
referencia.
". #onectar a tierra: Es una acción fsica intencional, de carácter
particular, reali4ada mediante conductores y conectores ad $oc, para
unir un determinado elemento metálico o punto de un circuito de una
instalación, con la puesta a tierra correspondiente. El obetivo es
establecer un potencial similar en todos estos elementos.
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6efiniciones generales
$. Tierra remota o de referencia: Es una 4ona del terreno,suficientemente distante de una puesta a tierra, tal que su potencial
no cambie ante variaciones de la corriente dispersada por la puesta a
tierra o sistema de puesta tierra. 6efinida de esta forma, la tierra
remota se encuentra ubicada a una distancia teóricamente infinita de
la puesta a tierra. )in embargo, para fines prácticos, toda 4ona a partir
de cierta distancia, puede considerarse como la tierra remota. Esta
distancia depende, por un lado de las dimensiones de la puesta a
tierra, y por otro lado, de la precisión aceptada en su edición o
análisis.
%. #orriente de tierra: Es la parte de la corriente residual de falla que es
dispersada por la puesta a tierra y que retorna al circuito
correspondiente a través de la tierra remota.
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6efiniciones generales&. '(ectrodo de tierra: Es el constituyente mas simple de una puesta a
tierra destinado a proporcionar un contacto con tierra. Consiste
generalmente de un tramo recto de conductor, enterrado en forma
vertical u $ori4ontal. Bna puesta a tierra puede estar constituida por
un solo electrodo por una combinación de electrodos.
). *a((a de tierra: Es una puesta a tierra comn a todos los elementos
metálicos y circuitos de una instalación o parte claramente definida de
la instalación. &iene como obetivo el poseer un adecuado valor de
resistencia y además controlar las solicitaciones de voltae a que
pueden quedar sometidas las personas, en el interior y contorno del
área abarcada por ella. Deneralmente consiste de un retculo deconductores interconectados y enterrados a cierta profundidad. %a
malla de tierra puede estar unida con otras puestas a tierra, mallas de
tierra o electrodos auxiliares, para meorar sus caractersticas y las del
conunto.
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6efiniciones generales+. *a((a equipotencia(: es un conunto de conductores o una reilla
metálica de material plegado, instalada sobre o bao el terreno o
suelo, conectada a una puesta a tierra principal y que tiene como
función principal establecer un potencial uniforme en el área
abarcada. En el caso de una falla residual que compromete a la
puesta a tierra principal, la malla equipotencial dispersa solo una
corriente de peque/a magnitud $acia el medio en que se encuentrainmersa o en contacto.
10. '(ectrodo au,i(iar de puesta a tierra: Es un electrodo elemental,
generalmente aleado de la puesta a tierra principal, que tiene como
función esencial meorar las caractersticas de esta ltima.
11. Resistencia a tierra: Es la resistencia existente entre un punto
cualquiera de una puesta a tierra y la tierra remota. )e define como el
cuociente entre el potencial eléctrico que adquiere una puesta a tierra
y la corriente dispersada por ésta.
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6efiniciones generales
1. istema de puesta a tierra: Es la interconexión intencional de
diferentes puestas a tierra ubicadas en un área determinada,
generalmente próximas entre si, con el obetivo de meorar las
caractersticas del conunto.
1!. Potencia(: Es el potencial eléctrico que existe entre una puesta a
tierra, un elemento metálico de una instalación, un punto del terreno,
etc., y la tierra remota o de referencia.
) id d d l i
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)eguridad de las personas y equipos
en instalaciones de alta tensión
! Introducción
! Efectos de la corriente en el ser $umano
! ;oltaes tolerables por el cuerpo $umano
! )olicitaciones de voltaes para las personas en una
instalación de alta tensión
! iesgos para los equipos en una instalación de alta
tensión
I t d ió
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Introducción
Tensión superficia( a(rededor de una arra vertica( de ! m $/) por (a
cua( penetra una corriente de 1000 2
Introducción
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Introducción
Tensión superficia( a(rededor de un conductor 3ori4onta( de 10 m "/0
256 por e( cua( penetra una corriente de 1000 2
Introducción
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Introducción
Tensión superficia( a(rededor de una ma((a de 1% e(ectrodos por (a cua(
penetra una corriente de 1000 2
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Efectos de la corriente en el ser $umano
Para (os fines particu(ares que interesan en e( proyecto
y an7(isis de una puesta a tierra estos efectos sepueden de(imitar por (os si8uientes par7metros
caracter9sticos:
1. mra( de percepción:
. ;imite de contracción muscu(ar
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo en segundos
C o r r i e n t e e n A m p e r i o s
70 kg
50 kg
%imite de corriente que no alcan4a a producir fibrilación ;entricular con
un 33. de probabilidad en función del tiempo de exposición a la
corriente.
seg
mseg fvt
I '"(.$
=
seg
mseg fvt
I '
"
'#.$=
# Fg
0# Fg
;oltaes tolerables por el cuerpo $umano
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;oltaes tolerables por el cuerpo $umano
m
Gm p=(Gm pGm pGm
m
I I II
I
I&..&..&..
H) H)' H)(
H#
I
I
I
I
II
$H#
I I
II
I
H##
c?b?a?
)olicitaciones de voltae tpicas en una instalación: a? entre manos y
pies b? entre pies c? entre manos.
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101
102
103
104
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
Resistivida del suelo en ohm-m
R e s i s t e n c i a d e
c o n t a c t o e n o h m
)S*'$$$)S*'$$$
+S*$.' m
$.$ m
4$$$
3$$$
!$$$
$$$
esistencia p de contacto de un pie en el terreno
++=
s
t s
s
s p
hr R
ρ
ρ ρ ρ
!ln
4
x 104
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34/42
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Tiempo en segundos
V o l t a j e t o l e r a b l e e n V o l t i o s
Vmp
Vpp
Vmm
;oltaes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie para
una p de ### Ω
t V
tol mm
(=
t
RV
p
tol pp
!3!.$(+=
t
RV
p
tol mp
$'".$( +=
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35/42
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Tiempo en segundos
V o l t a j e
t o l e r a b l e
e n
v o l t i o s
Vmp
Vpp
Vmm
;oltaes tolerables entre pies, entre manos y entre mano y pie para una
p de '### Ω
t V
tol mm
(=
t
RV p
tol pp!3!.$(+=
t
RV
p
tol mp
$'".$( +=
) li i i d l l
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)olicitaciones de voltaes para las personas en unainstalación de alta tensión
b?a?
' m
;paso
φs
' m
;paso
φs
)olicitaciones de voltae entre pies ;paso en los contornos
de una puesta a tierra
φ$
) li it i d lt l
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)olicitaciones de voltaes para las personas en unainstalación de alta tensión
b?a?
;cont
φs φs
)olicitaciones de voltae entre manos y pies ;mp en el
interior de una puesta a tierra
φ$
;cont
) li it i d lt l
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)olicitaciones de voltaes para las personas en unainstalación de alta tensión
H ≈#
Hs ≈ H#
Hs
H#
9otencial transferido a una puesta a tierra desde un punto
aleado
) li it i d lt l
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)olicitaciones de voltaes para las personas en unainstalación de alta tensión
Hs
H#
9otencial transferido desde una puesta a tierra a un punto
aleado
H ≈#
H ≈ H#
i l i i t l ió d lt
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40/42
iesgos para los equipos en una instalación de alta
tensión
U=0U0
U=U0+U fn
)ubestación de
&ransformación''#='*.( J;
)ubestación de
6istribución'*.(=#.(" J;
)olicitación de voltae en un transformador, pararrayos y cable
que alimenta un transformador aleado
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7limentación de consumos de baa tensión desde una subestación
aleada con puesta a tierra comn para alta y baa tensión
0
)ubestación de
'*.(=#.(" J;=
0
>U fn
=0
n
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42/42
Conexión del neutro leano a las carcasas de los consumos de baa
tensión
0
)ubestación de
'*.(=#.(" J;=
0
>U fn
=0
n
ma((a equipotencia(
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