Potencia Electrica Central SA de CV
potenciaelectrica.com.mx ... desde 1988

Puesta a Tierra Avanzada

01 Jul 2014

Puesta a tierra

Condiciones de dimensionamiento

Los componentes de la puesta a tierra se dimensionan con distintos criterios según sea su función, los conductores se deben dimensionar con la mayor corriente que por ellos puede circular, y los dispersores para la mayor corriente que pueden drenar.

La corriente conducida por cada elemento de la red de tierra surge de determinar las distintas corrientes de falla, generalmente entre la corriente de cortocircuito trifasica y monofasica se encuentra el mayor valor.

La corriente drenada máxima se presenta entre una parte de la monofasica (la que efectivamente va a tierra) y la corriente de tierra de una falla bifásica a tierra, obsérvese la – is1202.jpg

Es ciertos casos puede ser necesario considerar una falla bifásica que puede verse como dos fallas monofasicas a tierra en distintos puntos.

Puesta a tierra de servicio y seguridad

Puesta a tierra de servicio, es la conexión del neutro a tierra hecha en forma directa o a través de una impedancia (que limita las corrientes de falla monofasicas).

La puesta a tierra de servicio puede llevar permanentemente a tierra una cierta corriente, por ejemplo atribuida a que las capacitancias de líneas de distribución son distintas de una fase a otra (desequilibradas).

El objetivo de la puesta a tierra de seguridad es la protección de las personas de recibir una descarga eléctrica por fallas de aislacion, o cortocircuitos.

Con esta finalidad todas las canalizaciones metálicas, soportes, estructuras, gabinetes, tableros y en general toda estructura metálica (conductora) que por accidente pueda quedar bajo tensión, debe ser conectada a tierra.

La puesta a tierra de seguridad, no presenta normalmente corrientes drenadas, solo cuando se presenta una falla, un ejemplo es la conexión a tierra de las carcazas de las maquinas eléctricas, para que en caso de falla de sus arrollamientos no presenten tensiones hacia tierra.

En la – is1202a.jpg se destacan la puesta a tierra de servicio del neutro y la de seguridad de la caja.

Alrededor de los elementos puestos a tierra, y en el terreno próximo a la red que drena corriente a tierra se presentan tensiones que pueden ser peligrosas para los seres vivos, y que se llaman tensiones de paso (Up) y tensiones de contacto (Uc), la tensión en el terreno depende del electrodo de puesta a tierra, que fija una función de la tensión que depende de la distancia del punto a los electrodos, como esquematiza la – is1203.jpg nótese la tensión total que asume la red de tierra respecto de un punto muy alejado (referencia) UT = RT * Ikd, que depende de la resistencia de puesta a tierra RT, y de la corriente drenada Ikd.

Se forma entonces un campo potencial alrededor del electrodo que drena y entre los pies de una persona que se acerca se presenta la diferencia de potencial llamada tensión de paso, y si una persona toca elementos conectados a la red de tierra entre sus pies y manos se presenta la tensión de contacto.

La tensión de paso aparece en la superficie del suelo entre dos puntos distantes (entre los pies de un paso convencional de 1 m) cuando se inyecta corriente en el suelo a consecuencia de una falla a tierra.

La tensión de contacto se presenta sobre el cuerpo de una persona que toca una carcasa, estructura o tablero, entre sus manos y sus pies (convencionalmente 1 m entre los pies y la proyección en el suelo de la mano)

Ambas tensiones son causadas por la distribución de los potenciales de tierra al ocurrir una falla que es causa de la dispersión de corriente.

Para electrodos de formas simples is1204.jpg, se presentan formulas que dan la resistencia de los mismos y describen el potencial a su alrededor,

Para electrodos compuestos, con formas complicadas, se desarrollan programas de calculo que aplicando distintos métodos (imágenes, superposición, etc.) determinan los potenciales en la superficie del terreno, y en base a ellos permiten encontrar los puntos más peligrosos del área, y mejorar las condiciones de seguridad.

El dato fundamental para la determinación de la resistencia de la red de tierra es la resistividad del terreno, is1205.jpg que es un valor muy variable de una zona a otra, e inclusive de un punto del terreno a otro, por lo que es importante realizar mediciones para evaluarlo correctamente.

Puesta a tierra de estaciones transformadoras

Las estaciones transformadores, involucran superficies grandes y presentan corrientes a drenar de valores importantes, el problema se resuelve materializando una red de puesta a tierra formada por mallas, como se observa en la – is1206.jpg que corresponde a un campo de una estación eléctrica de 132 kV.

En la parte superior se observan los descargadores, unidos a la red de tierra y con una jabalina, luego el pórtico, sigue un seccionador con cuchillas de puesta a tierra (unidas entre si directamente en el bastidor), transformadores de medición, interruptor, y el transformador de potencia.

Obsérvese que el neutro del arrollamiento del transformador esta unido a la red de tierra y también tiene una jabalina, esta en particular es también una puesta a tierra funcional.

Las jabalinas tienen mejor comportamiento para drenar corrientes de impulso que se presentan en los descargadores, o en el neutro de los transformadores, en tensiones muy elevadas también se drenan impulsos a través de la capacitancia de los transformadores de medición, y se realizan mejoras locales de la red de tierra en correspondencia.

En el proyecto de la red de tierra se deben verificar: la tensión de paso (Up) que en general es máxima en la periferia, y en los puntos interiores donde la red es poco densa, la tensión de contacto (Uc) en los puntos donde hay columnas (quizás de iluminación) conectadas a la red de tierra aunque no tengan nada que ver con la alta tensión, la tensión en la diagonal, cuando la red tiene forma rectangular presenta en los vértices valores máximos de paso o de contacto que deben ser controlados, la tensión de paso perimetral (Upp) a veces por ser el área accesible al publico debe cumplir condiciones mas estrictas que el área interna, solo accesible a los que operan la estación.

La sección de los conductores debe ser verificada para que conduzcan la corriente de tierra o una parte de la misma (60%), y los conductores enterrados deben tener tamaños convenientes para soportar la corrosión, un punto que merece protección cuidadosa es el pasaje de los conductores del aire a la tierra, donde también se presentan fenómenos de corrosión.

Véase la tabla resumen is1207.jpg

Un valor importante de verificar es la resistencia total de la malla de tierra Rm, que puede ser evaluada con algunas formulas simples is1208.jpg en función del perímetro o del área, es inmediato observar que el aumento del área cubierta (y del perímetro) produce una reducción de la resistencia.

En ciertos casos la red mallada se complementa con jabalinas, se puede pensar en dos redes de tierra en paralelo, que pueden tener una parte de resistencia mutua, como indica la – is1209.jpg.

El tamaño del conductor de la malla se determina con las formulas incluidas en la – is1210.jpg donde además se fijan algunos tamaños mínimos fijados por ciertas especificaciones de redes de tierra.

La sección mas comprometida de los conductores de puesta a tierra es el chicote de conexión de cada soporte a tierra, ya que por el pasa la máxima corriente, que luego se distribuye entre las ramas de la red dispersora, como se ve en la – is1210a.jpg .

Los datos usados para la determinación de la sección son los siguientes is1211.jpg y se presentan frecuentemente gráficos que ayudan a una rápida determinación de la sección is1211a.jpg.

Algunas formulas simples permiten evaluar las tensiones de paso y de contacto is1212.jpg al aumentar la densidad de la malla se reducen las tensiones de paso y de contacto:

Uc = rho * kc * ki * IE / L

Up = rho * kp * ki * IE / L

.kc y kp son factores geométricos de la red de mallas (ver anexo J – IRAM 2281 -1)

.ki factor de irregularidad

.L longitud del conductor enterrado

.IE corriente dispersada por la malla

la tensión de paso perimetral es:

Upp = (4 * rho * Im) / D

.D diagonal de la malla

A veces la tensión perimetral (de paso) es elevada, y es necesario poner electrodos de control del potencial is1213.jpg obsérvese como se reducen las tensiones de paso en el perímetro al agregar los electrodos.

Ya se ha citado que es necesario mejorar el comportamiento local de la red de tierra en los puntos donde se inyectan sobrecorrientes de alta frecuencia, veamos el comportamiento de la malla ante una descarga atmosférica o una sobretension de maniobra is1214.jpg, al inyectar una sobrecorriente de alta frecuencia la impedancia que presenta una rama de la red es:

.z = omega * L = 2 * PI * f * L

Al aumentar la frecuencia is1215.jpg (sobretensiones de maniobra o atmosféricas) aumenta la impedancia que ofrece la rama a la conducción, y en consecuencia la malla no es la mejor solución para las altas frecuencias, por esa razón se imponen las jabalinas.

Puesta a tierra en instalaciones industriales y en edificios comerciales

Las instalaciones industriales, y edificios comerciales, en la mayoría de los casos incluyen una cabina de transformación media a baja tensión. Pero la solución del sistema de puesta a tierra no es análoga a la utilizada en las estaciones transformadoras.

En las redes eléctricas industriales pueden convivir la alta tensión, la media tensión, y la baja tensión. A veces el propietario de la red industrial no es el mismo que el de la red de alimentación. Pero la red de tierra es el elemento común a estas redes, y es común a distintos propietarios, es importante el acuerdo entre partes.

La finalidad de la red de tierra (en el área de una planta industrial) es:

vincular (mediante conexión directa o a través de una impedancia – resistencia) el potencial de determinados puntos de los sistemas eléctricos existentes en el área.
Drenar a tierra las corrientes del sistema eléctrico en régimen normal o perturbado.
Garantizar condiciones de seguridad para las personas.
Cuando corresponde drenar corrientes de descargas atmosféricas.
Cuando los distintos equipos involucrados se unen metálicamente, no se presentan tensiones de paso en el suelo ya que las corrientes retornan por los conductores metálicos y no hay derivación de corriente al suelo.

También cuando se presenta una falla en el sistema de baja tensión (servicios auxiliares) de una estación transformadora, la corriente retorna por la malla de tierra, y no se drena al suelo por lo que no se presentan tensiones de paso ni de contacto.

Trataremos el tema para instalaciones de baja tensión (menores de 1 kV), el primer punto es definir el sistema de puesta a tierra.

Normalmente es usado el sistema TN-S is1216.jpg.

El sistema TN-C is1216a.jpg en cambio no es recomendado.

El sistema TT es el que se tiene cuando se recibe alimentación desde la red publica is1217.jpg

El sistema IT, aislado de tierra is1218.jpg

El sistema IT puede también ser con el neutro puesto a tierra a través de una impedancia (de valor elevado) y con electrodos de tierra separados como muestra la – is1219.jpg.

También se puede realizar el sistema IT con el neutro puesto a tierra a través de una impedancia (de valor elevado) y uniendo los electrodos de la fuente y las masas is1220.jpg

Según sea la tensión de contacto presunta se define la duración máxima admisible, en la tabla 1 is1221.jpg , en instalaciones particularmente resinosas los tiempos son menores, tabla 2 is1221a.jpg

Para los distintos sistemas de puesta a tierra se fijan tiempos máximos de desconexión tabla 4 is1221b.jpg .

La – muestra is1222.jpg la falla de una línea de distribución de baja tensión.

Otra – is1222a.jpg corresponde a la IRAM 2281 – 3 (puntos 5.4.5 y 5.4.6)

La – is1222b.jpg corresponde a una instalación domiciliaria, con electrodomésticos, en la cual se distribuye el conductor de protección desde el centro de alimentación. La norma VDE fija un valor de UB < 65 Volt, mientras la norma IRAM 2281 fija un valor de UB < 50 Volt.

Si RB < 2 ohm, y suponiendo RE > 5 ohm se tiene

UB = U0 * RB / (RE + RB) = 230 * 2 / 7 = 65 Volt

El esquema muestra is1223.jpg la alimentación en 13.2 kV de una industria, el transformador (500 kVA) a baja tensión, el tablero de baja tensión y la distribución a motores e iluminación, obsérvense la puesta a tierra de servicio y las puestas a tierra de seguridad.

La – is1224.jpg muestra la realización del sistema de puesta a tierra de una planta industrial, obsérvese la jabalina, unida a un bloque de tierra donde llegan: el neutro de baja tensión (puesta a tierra de servicio), las conexiones a tierra de la celda de alta tensión, de la cuba del transformador, y de la barra de tierra del tablero de baja tensión (todas ellas puestas a tierra de seguridad).

Del tablero de baja tensión se hace la distribución a las cargas, un tablero auxiliar de iluminación se alimenta con un cable 3 fases + 1 neutro, y un cable de tierra (separado) que pone a tierra el tablero, al motor en cambio va un cable con solo las 3 fases y el cable de tierra (separado) que pone a tierra el motor y se une a las estructuras metálicas.

Del tablero de iluminación salen cables fase neutro, y cables de puesta a tierra de los artefactos (verde y amarillo)

Tensiones de paso y de contacto

Ya vimos que la tensión total es la que la red asume respecto del terreno a distancia infinita (a potencial cero), y vimos las tensiones de paso y de contacto (diferencia de potencial entre puntos a 1 m de distancia).

La presencia del hombre representa cierta resistencia (1000 ohm convencionalmente) modifica la tensión que hay en la superficie del suelo. Además se tiene la resistencia entre terreno y pie, para la tensión de paso los pies están en serie, para la de contacto en paralelo, véase la – 03.

Las tensiones de paso y de contacto son siempre una parte de la tensión total, y en general se puede afirmar que mientras la tensión total es comparable a las tensiones de paso y de contacto admisibles, no es necesario un cuidadoso estudio..

UT < k * Uc o Up

Siendo k un factor que se puede afirmar vale al menos 1.2, y según sea la geometría de la instalación puede considerarse que aun alcanzando 1.8 se respetan en la mayoría de los casos las limitaciones, sin embargo relaciones UT / Uc o Up mayores de 2 exigen cuidadoso estudio.

Factor de trayectoria de la corriente

Cuando un hombre sufre una descarga eléctrica, el efecto no es el mismo si la corriente va de pie a pie, que si va de mano a pie, o de mano a mano. La tabla muestra los valores del factor propuestos

Trayectoria de la corriente

F

1 / F

Mano izquierda pie derecho, pie izquierdo, ambos pies, ambas manos, ambos pies

1

1.000

Mano derecha pie izquierdo, pie derecho, dos pies

0.8

1.250

Mano izquierda espalda, nalgas, mano derecha, nalgas, ambas manos

0.7

1.429

Mano izquierda pecho

1.5

0.667

Mano derecha pecho

1.3

0.769

Mano derecha mano izquierda

0.4

2.500

Mano derecha espalda

0.3

3.333

Pie derecho pie izquierdo

0.4

2.500

 

La corriente mano pies es mas peligrosa que la corriente pie pie, porque el recorrido de la corriente que afecta el corazón es distinto. Sin embargo se indican limites iguales (en muchas normas) en función del tiempo ver – T1.

Repartición de las corrientes de tierra

La corriente máxima de falla monofasica a tierra del sistema IG puede ser determinada, pero solo una parte IT es drenada al terreno, el resto encuentra otros caminos.

Puede darse el caso de distintas situaciones de la red que alimenta la falla, veamos las posibles combinaciones de situación de la red con relación a la tierra, la alta tensión, y la baja tensión se caracterizan por estar con neutro a tierra, mientras que la media tensión pude ser con neutro aislado, a tierra, con impedancia.

alimentación

Distribución 1

Distribución 2

AT (o MT) con neutro a tierra

MT aislado

BT con neutro a tierra

AT (o MT) con neutro a tierra

MT con neutro a tierra

BT con neutro a tierra

MT aislado

BT con neutro a tierra

MT con neutro a tierra

BT con neutro a tierra

BT con neutro a tierra

BT

 

La media tensión de la distribución 1 puede coincidir o no con la media tensión de alimentación, en algunos casos se tiene mas de una media tensión.

Cuando alimentación y distribución son en baja tensión, la puesta a tierra es con esquema TT.

Aunque no habitual en nuestro medio la alimentación en media tensión puede ser con neutro aislado, se da la situación que muestra la – 04 en caso de falla a tierra, la corriente capacitiva es:

IG = U * 1.73 * Sumatoria de (L1 * omega * C1)

La corriente es función de la extensión de la red, y de su tensión. Los valores de C1 (capacitancia de secuencia cero) dependen si se trata de línea aérea, o cable aislado, y el valor de IG es para toda la red (en su estado de máximo desarrollo) alcanzando la decena de amper cuando la red es aérea, y el centenar cuando es en cables.

La corriente que puede presentarse en la red de tierra cuando ocurre esta falla es entonces pequeña, además debe observarse que la corriente de falla es independiente del punto de falla.

Cuando ocurre la falla a tierra, las otras fases asumen la tensión compuesta, la aislacion es exigida con mayor tensión y sobretensiones transitorias, debidas a la falla, y entonces es probable la ocurrencia de una segunda falla en algún punto débil de la red.

Aparece en este caso una falla bifásica a tierra, con corriente elevada, del orden de al corriente de cortocircuito trifasico I3.

I2 = I3 * 1.73 / 2

Esta falla depende de la extensión de los cables y de los puntos en que se presentan las dos puestas a tierra.

La red con neutro a tierra es característica de la AT, y también se presenta en MT ( a veces con impedancia de tierra).

La falla a tierra es monofasica, la corriente no depende de la extensión de la red, depende de la distancia del punto de falla (medida con las impedancias serie) a la alimentación de la red.

Las fallas perduran tiempos breves, contenidos en 0.5 segundos.

La – 05 muestra en el lado izquierdo una fuente lejana que a través de cables alimenta el punto de falla, la corriente de falla afecta dos redes de tierra, y se ha supuesto que toda la corriente vuelve a través del terreno.

Una situación frecuente, cuando la planta es alimentada con MT o AT, se muestra en la – 05 lado derecho, la fuente ahora es cercana (interna a la planta), la corriente circula en la red de tierra, y no hay corriente drenada a tierra.

La – 06a muestra la planta alimentada por una fuente externa que además tiene una fuente interna (autoproduccion), en caso de falla interna la corriente drenada a tierra solo depende de la fuente externa.

Si se produce una falla fuera de la planta, – 06b, la corriente drenada a tierra depende de ambas fuentes, y cada red de tierra es afectada por corriente IT1, IT2 o IG = IT1 + IT2. Se debe investigar cual es la corriente que corresponde a cada caso, y encontrar la que debe usarse en la verificación de cada una de las redes.

Hasta aquí se ha supuesto que no hay uniones metálicas entre redes de tierra, los cables de guardia, y las pantallas y / o protecciones metálicas de los cables unen las redes de tierra, obsérvese la – 08, Zp = impedancia de entrada del cable de guarda.

Una línea con cable de guarda alimenta la estación con generación local, una línea alimenta otra carga, véase la – 09a y el circuito que representa – 09b, la distribución de corriente.

El esquema de – 10 muestra la red de un usuario que recibe en media tensión, y distribuye para su instalación en media y baja tensión, esta situación es frecuente para los casos de plantas industriales con algunos motores muy grandes (de potencias 0.5 a 1 MW o mas), la red de baja tensión se hace con neutro a tierra, mientras que la media tensión (de usuario) se hace aislada o a tierra a través de impedancia.

La red aislada ofrece la ventaja (teórica) de que puede funcionar con falla, pero cuando la corriente de falla supera los 5 o 10 A esta solución se hace inaplicable.

Cuando se acepta el funcionamiento con una falla permanente la red de tierra debe dimensionarse para la segunda falla, los conductores de tierra deben soportar esta situación, pero generalmente esta corriente (en la planta) no es drenada a través de la red de tierra.

La red con neutro a tierra a través de impedancia como muestra la – 11 (con una única red de tierra) puede ser con:

resistencia de bajo valor, que reduce la corriente de falla a centenares de amper, hasta la corriente nominal del transformador.
Resistencia de alto valor, que limita la corriente a las decenas de amper.
Se puede dar el caso de dos redes de tierra, unidas por un cable de retorno, ver – 12a, el circuito de – 12b muestra la red para el calculo de las corrientes IG e IT.

Instalación de tierra única TN-S – 13a

Sistema TN-C – 13b

Instalación de tierra de cabina y de planta separados, sistema TT – 14a

Sistema TN – 14b

Cabina de MT / BT con tierra externa UT mayor de 250 V sistema TT – 15

Interferencias entre la instalación de tierra y estructuras metálicas externas, sistema de tamaño relativamente pequeño – 21

Y relativamente extenso, que alcanza puntos muy alejados – 22

Ejemplo de red de instalación industrial – 25

Circuito utilizado para medir al tensión de contacto UCG en caso de real falla franca a masa – 26

Mediciones en el sitio

La conductividad de la tierra se mide con el método de cuatro jabalinas (de Wenner) ver – 27, se deben hacer suficiente cantidad de mediciones para conocer suficientemente el suelo.

Una vez realizada la red se deben determinar sus características, resistencia y tensiones de paso y de contacto, la – 28 muestra el esquema de medición que puede utilizarse.