DistribuciónTransmisión

Sistemas de puesta a tierra y protección contra descargas atmosféricas (Parte 2)

(3) Método Gráfico de Sunde’s

 

El Método de Sunde’s utiliza la Figura 6 para modelar el suelo en dos estratos, el cual se basa en las medidas obtenidas por el método de Wenner. Los parámetros ρ1 y ρ2 son tomados de la figura de resistividad obtenida por el método Wenner; ρ1 corresponde al primer valor medido, asimismo ρ2 representa el último de la figura. Es preciso decir que, aplicando el método de Sunde’s solo se puede obtener el valor de la profundidad del primer estrato, ya que los valores ρ1, y ρ2 son escogidos a simple vista de la figura de resistividad aparente, lo que hace que este método sea impreciso y arroje resultados desfavorables con respecto a otros. A continuación se explica el esquema de cálculo.

 

1- Graficar la curva obtenida de resistividad aparente vs la separación de los electrodos.

2- Estimar los valores de ρ1 y ρ2, ρ1 corresponde a valores pequeños de separación de los electrodos para los cuales fue medido, asimismo ρ2 corresponde a valores de separación grande para los cuales fue medido.

3- Determinar ρ2/ρ1, y seleccione una curva de Sunde’s (Figura Nº6) que se aproxime al valor calculado.

4- Sobre la Figura 6, Seleccionar el valor de ρa/ρ1 que se aproxime a la curva obtenida por ρ2/ρ1

5- Leer el valor de a/h sobre el eje de las abscisas.

6- Multiplicar el valor obtenido ρ a/ρ1 por el valor de ρ1 escogido al principio.

7- Leer a sobre la figura de resistividad aparente, el valor de ρa obtenido.

8- Mediante la relación a/h, calcular h con el valor de a conocido.

curva-de-sundes

Fig. 6. Curvas de Sunde’s

2) Resistencia de Puesta a Tierra de una Malla

 

Para el calculo de la resistencia de la malla a tierra existen diversos métodos que dependiendo de ciertas condiciones pueden dar de una manera aproximada un valor cercano al real de la malla de tierra de una subestación eléctrica.

 

Un método simple empleado por Laurent y Nieman, el cual es recomendado por el estándar 80 de la IEEE, utiliza para este calculo una modificación de la ecuación del electrodo en forma de plato circular, sumándole un segundo termino, quedando la expresión de la resistencia de la malla de la siguiente manera:

 

ecuacion9(6)

Donde:

R = Resistencia de la malla, en Ω.

ρ = Resistividad promedio del suelo, en Ω-m.

L = Longitud total del conductor enterrado, en m.

r = Radio de un circulo con igual área que es ocupada por la instalación de puesta a tierra

 

El segundo término de la expresión indica que la resistencia de una malla es mayor que la de un plato sólido, y que esta diferencia decrece cuando la longitud del conductor aumenta.

 

Sin embargo, la resistencia de la malla de tierra determinada mediante (6) es una aproximación bastante general puesto que no toma en cuenta factores como por ejemplo la longitud efectiva del conductor de la malla de tierra que esta en existencia actualmente, por tanto para la determinación de la resistencia de la malla de tierra de una subestación cuando no se conoce de la existencia de electrodos o varillas de tierra y para mallas enterradas a una profundidad de entre 0,25 y 2,5 m; es necesario que se tome en cuenta un factor por la profundidad de enterramiento de la malla lo cual influirá directamente en su resistencia de tierra, la utilización de este factor y de otros parámetros que influyen directamente sobre la resistencia de la malla lleva a la utilización de la aproximación de Sverak’s para la determinación de la resistencia de la malla de tierra de una subestación (recomendada por la IEEE) y la ecuación a utilizar es entonces la que sigue a continuación:

 

 ecuacion10(7)

Donde:

RG = Resistencia de la malla de tierra del área de la S/E, en Ω.

ρ = Resistencia aparente del terreno de la subestación, en Ω.m.

L = Longitud efectiva del conductor de la malla de la subestación (medido directamente en el plano de la malla de tierra existente actualmente que se desea medir, en m.).

A = Área cubierta por la malla de tierra que se desea medir, en m2.

h = Profundidad de la malla de tierra, en m.

 

Otro método para determinar y evaluar el estado de una malla de tierra, cuando se conoce la presencia de electrodos o varillas de tierra es empleando el método de Schwarz, que se basa en la expresión siguiente:

 

ecuacion11(8)

Donde:

R = Resistencia de la malla de tierra.

R11 = Resistencia de los conductores de la malla de tierra.

R22 = Resistencia de todas las barras enterradas.

R12 = Resistencia mutua entre el grupo de electrodos y los conductores de la malla.

 

De la ecuación anterior se tiene que cada uno de los parámetros involucrados se calculan de la siguiente manera:

ecuacion12

Donde:

Lb = Longitud de las barras

Lcond = Longitud de los conductores de la malla.

d = Diámetro de los conductores.

db = Diámetro de las barras.

h = Profundidad de la malla

nb = Número de barras.

A = Área cubierta por la malla.

K1 y K2 = Son constantes que dependen de la relación largo y ancho de la malla, de la profundidad h, y en general puede asumirse que sus valores son aproximadamente K1= 1.4 y K2 = 5.6.

 

3) Calculo para la Sección del Conductor de la Malla de Tierra

 

Los conductores de la malla de tierra deben diseñarse de manera que:

 

− Resistan la fusión y el deterioro de las juntas eléctricas bajo las más adversas combinaciones de magnitud y duración de las corrientes de falla.

− Sean mecánicamente resistentes, especialmente en aquellos sitios expuestos a grandes esfuerzos físicos.

− Tengan suficiente conductividad, de manera que no contribuyan substancialmente a diferencias locales de potenciales peligrosos.

 

El conductor de cobre adecuado para la malla de tierra, puede ser obtenido de la siguiente ecuación desarrollada por Onderdonk y recomendada por la IEEE en su publicación Std. 80 de 1986:

ecuacion13(9)

Donde:

A = Sección del conductor, en circular mil.

I = Corriente RMS de cortocircuito, en amperios.

S = Tiempo en segundos, durante el cual la corriente I es aplicada. Es el mismo tiempo de despeje de la falla.

Ta = Temperatura ambiente en grados centígrados (usualmente se usa 40 oC).

Tm = Temperatura máxima permisible, en grados centígrados (usualmente se usa 450 oC para uniones de fusión y 250 oC para uniones apernadas)

En donde:

ecuacion14(10)

Donde:

Tor = Tiempo de operación del relé de tierra, en seg.

Toi = Tiempo de operación del interruptor en seg.

 

Generalmente, la resistencia mecánica fija una sección mínima para los usos prácticos, utilizándose un conductor 4/0 de cobre como mínimo para la malla de tierra y un conductor 2/0 AWG de cobre como mínimo para la puesta a tierra de los equipos y estructuras a la malla a tierra.

 

4) Calculo de las Tensiones de Toque y Paso Tolerables

 

En primer lugar se da las definiciones de tensión de toque tolerable y tensión de paso tolerable:

 

a) Voltaje de Toque Tolerable:

Es la máxima diferencia de potencial que puede experimentar una persona en contacto con un equipo aterrado, en el momento de ocurrir una falla. La distancia máxima para tocar un equipo supone que es máximo alcance horizontal, la cual se asume a un (1) metro.

 

b) Voltaje de Paso Tolerable:

Es la máxima diferencia de potencial que puede experimentar una persona caminando en la superficie de la subestación en sus alrededores al momento de ocurrir una falla, esta diferencia de potencial se toma entre dos puntos separados a una distancia de un (1) metro.

 

Los estudios referidos en la IEEE-80 Capítulo 4, realizados en animales cuyo tamaño del cuerpo y peso del corazón son comparables a los del cuerpo de una persona normal, revelan que el 99,5 % de las personas saludables pueden tolerar una corriente a través de la zona del corazón definida por Dalziel como:

 

ecuacion15(11)

donde:

IC = Corriente Máxima RMS (A).

K = Constante (0,116 ó 0,157 para una persona de 50 ó Kg. respectivamente).

t = Duración de la Corriente (seg.).

 

La norma recomienda el uso de K = 0.157, asumiendo un peso promedio de 70 kilogramos y un tiempo máximo de eliminación de fallas de 3 segundos. En todo caso, prevalece el juicio del evaluador para determinar el valor correcto a utilizar dependiendo de las características del sitio de ubicación de la subestación o el uso de dispositivos de protección de alta velocidad. Adicionalmente, las pruebas indican que el corazón requiere unos 5 minutos para retornar a su condición normal después de experimentar un choque severo. Esto indica que aquellos sistemas de potencia con mecanismos de cierre automático tendrán un efecto acumulativo sobre la operación inadecuada del corazón. Se considera usualmente que para dos cierres consecutivos, el tiempo a considerar será el equivalente al de un choque eléctrico cuya duración sea la suma de los intervalos de choque individuales.

 

Considerando los valores definidos por la ecuación 52 los valores de voltaje VTT y VPT son:

 

ecuacion16(12)(13)(14)(15)

Donde:

t = Tiempo total de ocurrencia de falla, incluyendo efectos acumulativos por recierres. Este tiempo debe ser menor a 0,5 segundo, según la Norma de C.A.D.A.F.E, NS-P-360 “Especificaciones Técnicas para el Sistema de Puesta a Tierra”.
K = Constante basada en el peso del cuerpo (0,116 ó 0,157).
RC = Resistencia típica del cuerpo en ohms (1000).
RT/2 = 1.5 CS ρ S =Resistencia de contacto de dos pies en paralelo.
2RT = 6 CSρ S = Resistencia de contacto de dos pies en serie.

En los valores de resistencia de contacto definidos arriba ρs es el valor de resistividad del material superficial en la subestación. Según la Norma de C.A.D.A.F.E, NS-P-360 define ρs como el valor de la piedra picada que se encuentra en la superficie de la subestación el cual es de 3000 Ω-m. Y Cs es el factor de reducción que variara según el tipo de material de la superficie referida. En el estándar IEEE-80, se presenta la ecuación detallada para definir los valores de Cs, la cual es:

ecuacion17(15)

Donde:

h = Profundidad de la capa superficial de la piedra picada.

K = Factor de reflexión.

ecuacion18

Donde ρ = Resistividad del suelo, en Ω.m.

(13) y (14) permiten el cálculo de los voltajes VTT y VPT los cuales deben ser realizados dentro de la subestación y fuera de la misma.

 

IV. PROTECCIÓN CONTRA LAS SOBRETENSIONES DE ORIGEN ATMOSFÉRICO

 

Para determinar la protección más adecuada contra este tipo de sobretensiones es necesario tener un conocimiento de la severidad o de la frecuencia de los rayos y la información de la que normalmente se dispone es el correspondiente al nivel isoceráunico, que da el número de días en el año en que se escuchan tormentas, aunque no indica el número de descargas ni la intensidad de la descarga para cada día tormentoso.

 

El nivel isoceráunico es en general mas bajo a medida que se acerca al polo y más alto en los trópicos; así por ejemplo, en Suecia es de alrededor de 10, en Inglaterra es del orden de 15, en Canadá es inferior a 30, En EE.UU. varia entre 10 y 90 y en Venezuela es de aproximadamente 60.

 

En este artículo solo se considerara la protección contra descargas atmosféricas en instalación de subestaciones.

 

1) Cables de Guarda

 

Para proteger la subestación contra las descargas directas de los rayos se utilizan hilos de guardia de la misma sección de los que se usan en las líneas de transmisión cuando el nivel isoceráunico es medianamente alto, o simples astas sobre los soportes cuando la probabilidad de rayos es muy reducida, aspecto este que puede bien ser tomado como norma en las subestaciones a muy altas tensiones con el objeto de reducir la altura de los soportes en zonas poco tormentosas.

 

Los hilos de guardia en las subestaciones deben instalarse a una altura adecuada para proteger eficazmente los conductores y equipos bajo tensión. El ángulo efectivo de protección es de 45º para un hilo de guardia y de 60º cuando se utiliza más de un cable de tierra.

 

Para determinar la altura mínima de los hilos de tierra, a fin de asegurar una protección eficaz de los equipos, se utiliza el método ideado por Langrehr que supone que cuando el rayo se descarga hacia tierra y se encuentra a una altura igual al doble de la del hilo de guardia, la descarga se efectuara sobre estos o el suelo, por ser estos los puntos mas cercanos al rayo.

 

La zona de protección queda entonces determinada de la siguiente manera:

 

Sea h la altura de los conductores o del equipo a protegerse. 2a el ancho de la celda y H la altura mínima de los hilos de guardia o de los mástiles o astas de protección.

 

cables de guarda

Se tiene que:

ecuacion19(16)

 

El valor H representa la altura mínima de los hilos de guardia para obtener una zona de protección adecuada.

 

Cuando no se instalan en la subestación pararrayos ni cuernos de arqueo, debe adoptarse para el equipo un nivel de aislamiento superior al correspondiente a plena aislación, para que este pueda resistir las ondas de impulso sin que sufra ningún daño o deterioro. Esta práctica muy poco usual se justifica en lugares de muy bajo nivel isoceráunico, menor de 10, siempre y cuando las líneas de transmisión presenten baja resistencia de toma de tierra. Por otra parte, en subestaciones que tienen permanentemente conectadas a las barras colectoras un numero elevado de líneas de transmisión el efecto de la sobretensión disminuye apreciablemente debido a que encuentra varios caminos para distribuirse, y la atenuación de la sobretensión será mas importante cuanto mayor es el número de líneas conectadas a las barras. Aunque esta comprobado experimentalmente que las subestaciones a las cuales llegan 3 o 4 líneas quedan autoprotegidas contra las sobretensiones de origen atmosférico, no es recomendable utilizar este recurso como único medio de protección a excepción de aquellas instalaciones de tensiones no muy elevadas, y en zonas donde las descargas eléctricas no son severas.

 

2) Explosores o cuernos de arco

 

La segunda medida de defensa contra la incidencia de los rayos consiste en instalar explosores del tipo asta-asta o cuernos de arco. Estos dispositivos tienen bastante aceptación y campo de aplicación en regiones con moderados niveles isoceráunicos o en instalaciones en las que no se justifica económicamente adoptar otros medios de protección más completos y costosos.

 

El explosor o estallador de arco esta constituido por dos varillas o electrodos metálicos, uno de ellos bajo tensión y el otro conectado a tierra, manteniendo en el aire una distancia de separación adecuada para evitar los reencendidos o cebados demasiado frecuentes por sobretensiones internas. Los explosores o cuernos de arco como dispositivos de seguridad de las subestaciones presentan algunas desventajas entre las que se destacan las siguientes:

 

La tensión de descarga no es definida sino errática o dispersa debido a que depende de la configuración de los electrodos (asta-asta, esfera-esfera, etc.), de las condiciones climáticas (variaciones de la temperatura, de la presión atmosférica y humedad del ambiente), grado de polución, etc.

 

Cuando el explosor entra en arco, la corriente de fuga no se extingue naturalmente desarrollándose un cortocircuito franco de fases a tierra, debiendo operar los interruptores para despejar la falla, y sometiendo a estos, cuando son del tipo de pequeño volumen de aceite de cámara única de extinción, a elevados efectos por la aparición del defecto evolutivo.

 

Una disminución de la distancia de separación entre las varillas del explosor puede dar lugar a frecuentes interrupciones del servicio por causa de Sobretensiones atmosféricas de larga duración, o por Sobretensiones de origen interno suficientemente altas.

 

Cuando el arco se desarrolla entre los electrodos, la tensión de impulso decae bruscamente y somete a las espiras y bobinas de los transformadores de potencia a solicitaciones muy severas.

 

Cuando se utilizan explosores para la protección de los transformadores de potencia, la practica mas corriente consiste en instalarlos sobre o cerca de ellos o entre los aisladores pasatapas. La distancia disruptiva de esta clase de equipos se calibra para una tensión de descarga variable de entre el 70 y el 80% del nivel de aislamiento del aparato a proteger. Por otra parte, si los transformadores se protegen con pararrayos y se utilizan además explosores como defensa secundaria o de reserva, las distancias de ajuste deberán ser superiores para evitar que los electrodos se ceben por sobretensiones de origen interno.

 

Aunque los valores de ajuste de las distancias de separación de los explosores varían de acuerdo a las estipulaciones en los diferentes países y a las condiciones particulares de la instalación, las distancias comúnmente utilizadas para la protección de los transformadores de potencia y demás aparatos, en función de la tensión de servicio y del nivel de aislamiento se indican en la siguiente tabla.

 

distancia explosores

 

3) Protección mediante Descargadores de Sobretensión

 

La protección mas completa y segura para limitar las Sobretensiones de origen atmosférico a valores no peligrosos para la aislación se obtiene con la instalación de pararrayos.

 

Estos equipos son de una utilidad casi universal en las instalaciones en altas y muy altas tensiones y ellos son especialmente empleados en:

 

− En subestaciones donde los explosores entran en funcionamiento con demasiada frecuencia por ser instalaciones muy expuestas a las Sobretensiones

− Para la protección de los transformadores de potencia y bobinas de inductancia, especialmente cuando tienen un aislamiento reducido.

− Para la protección del neutro de los transformadores de potencia cuando operan con el punto neutro aislado y los arrollamientos tienen un aislamiento gradual.

− En instalaciones en extra altas tensiones para reducir el nivel de aislamiento de los interruptores.

 

El pararrayo fija el nivel de protección de la instalación que se define como la tensión máxima que aparece entre sus bornes de línea a tierra en las condiciones de ensayos con ondas de impulso especificadas y representativas de las condiciones reales de servicio. El nivel de protección a la onda de impulso determinado por el pararrayo queda caracterizado por el valor mas elevado de las siguientes tensiones:

 

− Tensión de cebado para la onda plena de impulso normalizada

− Tensión residual al poder de descarga nominal

− Tensión de cebado para el frente de la onda de impulso dividido por 1.2.

 

El cociente entre el nivel resistente del aislamiento del material y el nivel de protección define la relación de protección, cuyo valor mínimo es de 1.20

 

ecuacion20

 

Para realizar una instalación efectiva de los equipos de los cuales se trata debe tenerse especial cuidado en dos aspectos que son esenciales para que los pararrayos funcionen de una manera efectiva como lo son el hecho de que las conexiones entre el punto de unión del pararrayos y tierra sean suficientemente cortas y se disponga de una baja resistencia de tierra, lo cual es fundamental en instalaciones de media tensión debido a que las caídas de tensión originadas por efecto ohmico e inductivo en las conexiones pueden alcanzar valores importantes en relación a la tensión residual del pararrayos, y otro aspecto a tomar en cuenta es el hecho de que la distancia entre el pararrayos y el equipo a proteger se mantenga dentro de un valor adecuado debido a que cuando la onda de tensión penetra en la estación, su amplitud se reduce al descargarse a tierra a través del pararrayos. En ese punto de discontinuidad se originan un par de ondas, una de las cuales se refleja y la otra que se transmite al aparato también se refleja al llegar a ese (al transformador de potencia por ejemplo) produciéndose una oscilación estacionaria de alta frecuencia entre el pararrayos y el transformador.

 

Esta oscilación se amortigua muy rápidamente de manera que la solicitación de la tensión sobre la instalación tienen influencia solamente en los primeros periodos y es muy breve debido a que la frecuencia de la oscilación es directamente proporcional a la velocidad de propagación de la onda e inversamente proporcional a la distancia de separación entre el pararrayos y el equipo a proteger, siendo f = v/ 4l, donde:

 

v = Velocidad de propagación

l = distancia del objeto a proteger.

f = Frecuencia de oscilación de la onda de tensión.

La amplitud de la oscilación propia queda determinada por

la ecuación que sigue a continuación:

 

ecuacion21(17)

 

donde:

 

s = gradiente de la onda de tensión en kV/μs

l = distancia protectiva en mts.

v = velocidad de propagación de la onda en mts / μs.

 

La tensión máxima que pueda aparecer entre el pararrayos y el equipo a proteger no deberá ser superior al nivel de la onda cortada de impulso del material, dado que, en caso contrario, se podría producir algún arco en la instalación antes de que la onda de tensión alcance nuevamente el valor de la tensión residual.

 

La zona protectora o alcance de protección del pararrayos queda entonces limitada a una distancia de separación relativamente corta, de acuerdo a lo que se deduce de la ecuación correspondiente.

 

ecuacion22(18)

 

de donde:

 

ecuacion23(19)

 

donde:

 

Ua = Tensión resistente de la aislación en kV max.

Ures = Tensión residual del pararrayos en kV max.

v = velocidad de propagación de la onda en mts / μs.

s = gradiente de la onda de tensión incidente en kV/μs.

l = distancia máxima de protección del pararrayos.

 

Los valores normalmente adoptados para el gradiente de la onda de tensión son:

 

Instalaciones con hilo de guardia 500 kV/μs.

Instalaciones sin hilo de guardia 1000 a 1200 kV/μs.

 

V. CONCLUSIONES

 

En este artículo se ha presentado un compendio elemental de sistemas de puesta a tierra y protección contra sobre tensiones de origen atmosférico en instalaciones de subestaciones eléctricas.

VI. 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.

 

VII. BIOGRAFIA

 

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

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3 comentarios

  1. Un pararrayo existente se ubica en medio de un enmallado a tierra en construcción de una sala electrica (en construcción). La consulta es, la bajada del conductor de cobre del pararrayo debe ir conectado al enmallado de la sala electrica o debería ir en un nuevo pozo a tierra independiente?. ¿Si la bajada del pararrayo se conectaría al nuevo enmallado, afectaría los equipos electrónicos, reles de protección, etc.?
    Gracias por sus comentarios.

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