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16 febrero, 2014

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Sistemas de puesta a tierra y protección contra descargas atmosféricas (Parte 1)

En este documento se presenta un resumen sencillo de los aspectos metodológicos-prácticos para consideraciones de sistemas de puesta a tierra y protección contra descargas atmosféricas en instalaciones de subestaciones eléctricas del tipo exterior.

 

I. INTRODUCCIÓN

 

Los Sistemas de Puesta a Tierra (SPAT) se instalan con la finalidad de garantizar la conexión del potencial a tierra de los equipos que lo requieran (transformadores, motores, etc) y la integridad del personal y suscriptores de la empresa.

 

Este diseño tradicionalmente se ha realizado en función de la resistividad del terreno, donde será ubicado el SPAT, y el límite máximo establecido para el valor de la resistencia de la toma de tierra por las normas nacionales e internacionales, y los limites permisibles de voltajes para las personas y equipos.

 

Pero además el SPAT se utiliza, para drenar a tierra las sobretensiones, por la operación de los descargadores de sobretensiones, vulgarmente denominados pararrayos.

 

En el caso de tomas con resistencia de tierras muy elevadas, la operación de estos descargadores puede que no sea efectiva ocasionando la circulación de corrientes de fallas sobre las superficies aislantes de los elementos de la red, provocando posibles danos de los equipos, riesgo eléctrico en las personas e interrupciones del servicio eléctrico.

 

Especial importancia reviste el hecho de que al circular estas corrientes por las tomas de tierra, aparecen diferencias de potencial, las cuales podrían exceder el umbral de tolerable por los seres humanos, de ahí que estas condiciones transitorias puedan degenerar en riesgo eléctrico a las personas y que deben ser tomadas muy en cuenta para el diseño del sistema a utilizar.

 

En este artículo se muestran un breve bosquejo de los conceptos asociados a los sistemas de puesta a tierra además de fundamentos del proceso de descarga atmosférica u los sistemas de protección asociados.

 

sistema puesta a tierra

 

II. SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA

 

La palabra aterramiento es comúnmente utilizada (de manera poco elegante) en sistemas eléctricos de potencia, para cubrir los sistemas de puesta a tierra y el aterramiento de equipos y del neutro.

 

La puesta a tierra comprende cualquier conexión metálica, sin fusible, ni protección alguna, de sección suficiente, entre una parte de una instalación y un electrodo o placa metálica, de dimensiones y situaciones tales que, en todo momento, se pueda asegurar que los elementos se encuentran al mismo potencial de tierra.

 

A. Objetivo

 

Las razones que más frecuentemente se citan para tener una un SPAT son:

 

– Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla.

– Asegurar que personas presentes en la estación, no queden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla.

– Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla (tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inadvertido con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se exceda el voltaje de ruptura dieléctrica del aislante.

– Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos.

 

Otras razones citadas menos frecuentemente, incluyen:

 

– Estabilizar los voltajes fase a tierra en líneas eléctricas bajo condiciones de régimen permanente, por ejemplo, disipando cargas electrostáticas que se han generado debido a nubes, polvo, agua, nieve.

– Proporcionar una trayectoria alternativa para las corrientes inducidas y de tal modo minimizar el ruido eléctrico en cables.

– Proporcionar una plataforma equipotencial sobre la cual pueda operar equipo electrónico.

 

Para desempeñarse adecuadamente cumpliendo cualquiera de las funciones anteriores, el SPAT debe generalmente tener una baja impedancia, de modo que ya sea dispersando o recogiendo corriente desde el terreno, no se produzca un aumento de voltaje excesivo.

 

III. DISEÑO DE SPAT

 

Para el diseño de un SPAT en general es necesario identificar los distintos elementos que lo conforman y los factores que de una u otra podrían afectarlo, para así determinar cual es el camino más fiable en la implementación del mismo, garantizando un sistema confiable, seguro y de larga duración.

 

1) Resistividad del Terreno

 

Esta es la magnitud característica de toda materia, que expresa su aptitud para la conducción de corrientes eléctricas.” representa la resistencia de una materia considerada, cuyas dimensiones son la unidad, por ejemplo un cubo de un metro de lado la resistividad será expresada en (Ohm-m).

 

Las medidas de resistividad de la tierra tienen un triple propósito:

 

1. Este tipo de datos es usado para realizar reconocimientos geofísicos debajo de la superficie como ayuda para identificar zonas de mineral, profundidades de roca y otros fenómenos geológicos.

2. La resistividad posee un impacto directo sobre el grado de corrosión en tuberías bajo tierra. Una baja resistividad, tiene relación con un aumento en actividad corrosiva y así dicta el tratamiento protectivo a usar.

3. La resistividad de la tierra afecta directamente el diseño de un sistema de toma de tierra y a este último propósito es el que será explicado en el presente trabajo.

 

Al diseñar un SPAT extenso, es recomendable localizar el área de menor resistividad de la tierra para conseguir la instalación de puesta a tierra más económica.

 

La resistividad del terreno varía ampliamente y afectada por varios aspectos: Naturaleza del terreno, humedad, temperatura, salinidad, estratigrafía, variaciones estacionales, factores de naturaleza eléctrica, compactación.

 

a) Métodos Tradicionales para la Medición de Resistividad de Tierra

 

La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad de la roca, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar el conjunto de electrodos que conformaran el SPAT.

 

(1) Método de los cuatro electrodos o método de Wenner

 

Este método fue desarrollado por Frank Wenner del U.S. Bureau Of Standards en 1915, F. Wenner, A Method of Measuring Earth Resistivity; Bull, National Bureau of Standards, Bull.

 

Este método consiste en introducir cuatro electrodos de prueba en línea recta y separados a distancias iguales (a), enterrados a una profundidad (b) que es igual a la vigésima parte de la separación de los electrodos de prueba (b= a/20) y van conectados al equipo de medición, el cual introduce una intensidad de corriente entre los electrodos C1 y C2, generando una diferencia de potencial entre los electrodos P1 y P2 (VP1 ,P2), que será medida por el equipo, a su vez en la pantalla tendremos el resultado de la relación (V/I) que por ley de Ohm es R.

 

medicion de resistividad de tierra

 

La separación entre los electrodos dará la medida de resistencia a un estrato de espesor de terreno que es igual a: h = a, con este valor de resistencia se calculará la resistividad aparente del terreno mediante la ecuación:

 

medicion de resistividad de tierra2

 

(2) Sistema Simétrico

 

Es una variante del método de Wenner que se utiliza cuando los electrodos de prueba no pueden introducirse a intervalos regulares. Para aplicar este método se utilizan dos electrodos de corriente y dos de potencial que se conectan al equipo de medición.

 

medicion de resistividad de tierra3

 

Los cuatro electrodos de prueba se colocan simétricos con respecto a un punto O que se sitúa en el centro de la medición.

 

El valor de la resistividad será la del estrato de terreno que esta debajo del punto O. La relación entre la distancia de los electrodos de corriente y la profundidad o estrato de terreno a la cual se esta midiendo la resistividad aparente es:

 

medicion de resistividad de tierra4

 

Al igual que en el método de los cuatro electrodos, se irán separando los electrodos de corriente, y por lo tanto aumentando la distancia L y así se conocerá el valor de la resistividad a una profundidad h mayor.

El valor de la resistividad aparente se obtiene por medio de la siguiente ecuación:

 

art166-pat-fig5

 

El valor de R se obtiene igual que en el método de los cuatro electrodos.

 

b) Métodos de Cálculo de Resistividad en Terrenos Bi- Estratificados

 

Uno de los usos más importantes de las medidas de resistividad en suelos bi-estratificados, es que mediante ellas se pueden determinar la profundidad de la superficie de la primera capa, su densidad real, y su factor de reflexión, así como también características de la capa siguiente, de esta forma es posible modelar los suelos de acuerdo a sus características eléctricas. Como resultado, se ha prestado una atención considerable a la interpretación de lo que es conocido como las curvas de profundidad.

 

Si es usada la configuración de Wenner, cuatro electrodos igualmente espaciados, y mediante estas se realizan diferentes medidas variando la separación de los electrodos para cada caso, es posible graficar las resistividades resultantes vs la separación de los electrodos, teniendo como consecuencia una curva de profundidad.

 

Desde la primera aparición de la inspección de la resistividad la interpretación de tales curvas ha sido una cuestión de gran preocupación y controversia para algunos investigadores, lo que hace este estudio un problema de gran envergadura.

 

Los métodos de interpretación que han sido desarrollados pueden ser aproximadamente divididos en dos clases. El primero de estos es netamente empírico y basado en la experiencia. El segundo consiste en un número de métodos que son basados en las teorías y cálculos de varios autores.

 

(1) Método Empírico

 

Debido a que el estudio de los suelos puede tornarse bastante complejo, representando una meta de gran envergadura para los profesionales del campo, muchos expertos prefieren basarse en la experiencia; por tanto han desarrollado técnicas no muy precisas, con la salvedad de que en muchos casos sobredimensionan dichos SPAT y por ende llegan a resultados favorables, que se ven contrarrestados por la inversión económica que se debe realizar. La experiencia de campo tiene muchos métodos, que se basan en las medidas de resistividad del terreno donde se va a ubicar el sistema.

 

El primero de los métodos a mencionar consiste en tomar las medidas de campo del terreno en estudio, y llevarlas a una grafica, la cual se denomina curva de resistividad aparente o curva de profundidad. Dado a que el método de medida de resistividad comúnmente usado es el método de Wenner, se requiere graficar las medidas de resistividad obtenidas vs la separación de los electrodos a la cual corresponde cada una ver figura Nº 7.

 

resistividad aparente

Fig 1. Curva Ejemplo de Resistividad Aparente

 

El primer criterio que se tiene es evaluar la variación entre las medidas adyacentes. Si se cumple que la variación entre medidas es mayor o igual al 10%, se tiene asume que el suelo es heterogéneo, y que puede estar compuesto por varios estratos, en donde el valor de resistividad al primer estrato corresponde a la medida patrón, es decir la medida con la cual se esta comparando.

Asimismo se menciona otro método de cálculo un poco más radical, el método aplicado consiste en observar la curva punto a punto de manera que se pueda leer el primer punto de inflexión presentado, en este caso casualmente corresponde al mismo valor arrojado por el primer método.

El método que mayormente se usa en la práctica, es el de realizar un promedio de las medidas tomadas en el terreno, y asumir que el suelo es homogéneo, aunque los resultados generalmente sean favorables, no conllevan a la mejor solución económica ya que cuando se aplica este método, el diseñador se ve obligado a sobredimensionar el sistema de manera tal de que se cumpla con los objetivos propuestos.

Cuando los estudios del suelo, arrojan valores altamente críticos, es decir valores de resistividad mayores a 3000 Ω-m la práctica conlleva a introducir barras a libre albedrío hasta que se tenga una resistencia de puesta a tierra favorable para el cliente.

(2) Métodos Directos basados en teorías y cálculos 

Son más confiables con respecto a los métodos anteriormente presentados. La mayor dificultad que presentan es que la teoría supone condiciones ideales, tales como, suelos con capas isotrópicas uniformes con interfaces paralelas a la superficie. Sin embargo tales condiciones ideales son raramente encontradas en la práctica y pueda que algunos errores e inconsistencias pueden aparecer en las deducciones, no obstante es posible obtener resultados útiles para las diferentes aplicaciones.

 

 calculos

Fig. 2. Problema de las dos Capas.

 

Si los resultados obtenidos con la aplicación de los siguientes métodos, no dan una respuesta sensata, entonces esto puede ser tomado como una indicación de que las condiciones difieren ampliamente de las asumidas en la teoría suelos anisotropicos, estratificación inclinada.

 

TAGG, aplica un estudio vigoroso de los suelos biestratificados y llega a la siguiente ecuación:

 

ecuacion(4)

 

 La cual considera las capas homogéneas y representa el potencial de cualquier punto de la superficie a una distancia r de un punto donde se inyecta una corriente I:

A partir de (5) realiza un estudio para la aplicación de la misma, utilizando el método de Wenner.

La Figura 3 muestra la configuración de Wenner, la corriente I entra por el punto A y sale por el punto B, produciendo un potencial en B y C. La fuente de corriente A esta a una distancia a de B.

 

configuracion de wernerFig. 3. Configuración de Wenner y el Problema de las dos Capas. 

 

Si se sustituye en (4), (r = a) el resultado es el siguiente:

 

ecuacion2(4.1)

 

Asimismo, la corriente que sale en D a una distancia 2a de B, refleja un potencial en B como se muestra a continuación.

 

ecuacion3(4.2)

 

Consecuentemente el potencial en B es el siguiente:

 

ecuacion4(4.3)

 

Por simetría el VC = – VB, entonces se puede deducir que:

 

ecuacion5(4.4)

 

Dicha expresión se puede escribir de la siguiente manera:

 

ecuacion6(4.5)

 

Si se verifica que la separación entre los electrodos mediante el método de Wenner es mucho mayor que la profundidad de los mismos, se cumple la (2) y la expresión anterior se puede representar de la siguiente manera

 

ecuacion7(4.6)

 

La cual puede ser rescrita como:

 

ecuacion8(5)

 

(5) es conocida como la ecuación de TAGG, mediante ésta, TAGG determinó unas curvas maestras que consisten simplemente en darle valores a las variables k, h, y a, obteniendo unos valores de ρa/ρ1 para cada caso.

La variable K representa el coeficiente de reflexión de la primera capa, es preciso recordar que K, varía entre -1 y 1, es decir que para valores de K entre -1 y 0 se obtienen resultados de ρa/ρ1 mayores que 0 y menores que 1, analíticamente el caso corresponde a que la primera capa posee una resistividad mayor que la segunda. Asimismo para valores de K entre 0 y 1, los valores de ρa/ρ1 serán mayores a 1, ya que la resistividad de la segunda capa es mayor que la de la primera, en este caso es viable trabajar con la relación de conductividad, obligando a la relación σ1/ σa, a variar entre 0 y 1.

curva maestra para k

Fig. 4. Curvas Maestras para k Negativa. Suelo Biestratificado 

curva maestra para k positiva

Fig. 5 Curvas Maestras para k Positiva. Suelo Biestratificado 

 

No se pierda la segunda parte de éste artículo interesante, la semana que viene lo publicamos!.

 

REFERENCIAS:

 

[1] DAWALIBI, Mukhedkar. Earth Resistivity Measurements in a Two Layer Earth Structure. IEEE Paper C 74 1996.

[2] Comisión Permanente del Código Eléctrico Nacional, (1991). Código Eléctrico Nacional. Venezuela. Comité de Electricidad (CODELECTRA)

[3] IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding , ANSI/IEEE Standard 80, 1983

[4] IEEE Std 81 1993 Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Ground System.

[5] IEEE Std 142-1991. Grounding of Industrial and Commercial Power Systems. Green Book

[6] IEEE Std. 1100 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Sensitive Electronic Equipment, IEEE Emerald Book.

[7] MANRIQUE O. (2004). Modelo de mantenimiento Centrado en Confiabilidad en los SPAT de las Estaciones de Digitel C.A. Tesis de Post-Grado no publicada, Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada Nacional. Maracay

[8] MARTÍNEZ M. (2001). Diseño de Sistemas de Puesta a Tierra. [Documento en línea]. Disponible: http://prof.usb.ve/mmlozano (Consulta: 2005, febrero 4)

[9] PORTA J. (1999). Electrodos de Puesta a Tierra. Valencia – Venezuela: Lightning Eliminators & Consultants de Venezuela, C.A

[10] PORTA J. (2001). Protección Contra Descargas Atmosféricas. Valencia –

[11] Venezuela: Lightning Eliminators & Consultants de Venezuela, C.A.

[12] RE, V. (1979). Instalaciones de Puesta a Tierra. Barcelona, España: Ediciones Marcombo S.A.

[13] TAGG G. (1964). Earth Resistance. New York – U.S.A.: Pitman Publishing Corporation.

 

BIOGRAFIA DEL AUTOR:

 

Francisco Gonzalez-Longatt. Obtuvo el titulo de ingeniero electricista del Instituto Universitario Politécnico de la Fuerza Armada, Venezuela (1994). Master en Administración de Empresas de Universidad Bicentenaria de Aragua, Venezuela (1999). Es profesor a dedicación exclusiva, categoría asistente, en pre-grado y postgrado, fue Jefe del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Experimental Politécnica de la Fuerza Armada.

 

Investigo durante un año, sobre la enseñanza de las ciencias técnicas en el Doctorado en Ciencias de la Educación, de la Universidad Pedagógica El Libertador. Actualmente es Candidato a Doctor en Ciencias de la Ingeniería en la Universidad Central de Venezuela, trabajando en el impacto de la generación distribuida en la estabilidad dinámica de sistemas de potencia. Autor de textos de ecuación superior, más de una decena de artículos en revistas y congresos a nivel internacional. Es miembro del Institute of Electrical Engineers (IEE), y miembro de varias sociedades entre ellas la Power Engineering Society del IEEE.

 

Fuente: afinidadelectrica.com.ar

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4 Comentarios Publica un comentario
  1. Los PAT en una subestación son importantes para las corrientes residuales y debe seleccionarse para contingencias.

    Responder
  2. avatar
    yvan huaman pariapaza
    Abr 19 2014

    Desearía saber si la puesta a tierra de un pararrayo existente ubicado muy cerca del enmallado de una SALA ELECTRICA (en consttrucción) puede ir conectado al mismo?? o se debe recomendar realizar un nuevo pozo a tierra independiente solo para el pararrayo y totalmente alejado del enmallado de la subestacion?

    Gracias por su repsuesta.

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    • avatar
      Nelson M. Ramos C.
      Jul 3 2014

      El pararrayos: ¿Se instala como consecuencia de una evaluacion de proteccion contra rayos o solo porque lo exige algun proveedor?
      Si es parte del SIPRA debe incluir Proteccion Interna (SPR y MPR).
      Earthing And Bonding: Significa aterrizar y equipotencializar, (mas o menos) la solución es conducir las corrientes de rayo a tierra, no a la malla de la subestacion, a una tierra dedicada pero no aislada, interconectada, ademas de tener barras de interconexion para evitar potenciales inducidos dañinos y Dispositvos que limiten estos potenciales en caso de producirse. IEC62305-1-2-3-4

      Responder
  3. avatar
    Edgar Osorio Tinoco
    Mar 23 2014

    La información sobre el desarrollo de puestas a tierra, es muy didactica. Muy interesante.

    Responder

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