SISTEMAS DE ATERRAMIENTO CON LA UTILIZACIÓN DE CONDUCTORES Y BARRAS ENVUELTOS EN CONCRETO

SISTEMAS DE ATERRAMIENTO CON LA UTILIZACIÓN DE CONDUCTORES Y BARRAS ENVUELTOS EN CONCRETO

La técnica de envolver barras de aterramiento en concreto fue creada por el ingeniero Helbert Ufer, durante la segunda guerra mundial (Fagan y Lee, 1970; Telló et al., 2007). Los Estados Unidos, en Ia época, necesitaban de un aterramiento confiabIe, en sus depósitos, para evitar Ia detonación de explosivos durante la ocurrencia de descargas atmosféricas (Piantini y Janiszewski, 2004; Grcev, 2009; Villa et al., 2009). Este tipo de aterramiento es conocido en la literatura como aterramiento Ufer.

Los resultados de Ufer consideran que el metal encapsulado con concreto actúa como un electrodo de aterramiento eficaz (Khalid et al., 2011).

El concreto es un material utilizado en la construcción civil, compuesto de una mezcla de cemento, arena, piedras y agua, además de otros materiales eventuales, tales como aditivos.

El concreto es higroscópico, o sea, absorbe humedad rápidamente y la pierde lentamente. Un bloque de concreto enterrado en el suelo se comporta como un semiconductor, con resistividad variando entre 30 e 90 Q.m (IEEE Std 80, 2000).

Para una barra convencional, el valor de la resistencia de tierra puede ser obtenido por la expresión (1):

        

donde:

Rat=resistencia de tierra (Ω);

pa=resistividad aparente del suelo (Q.m);

L=longitud de la barra (m); D=diámetro de la barra (m)

      La expresión (2) puede ser utilizada para calcular el valor de la resistencia de tierra de una barra de aterramiento envuelta en concreto (IEEE Std 80, 2000):

 

donde:

RCE=resistencia de tierra (Q);

p=resistividad del suelo (Q.m);

pc=resistividad del concreto (Q.m);

d=diámetro de la barra (m);

Dc=diámetro del encapsulamiento de concreto (m);

Lr=longitud de la barra (m)

En Clausen et al. (2004) fue realizada una investigación experimental considerándose mallas convencionales y con barras y conductores envueltos en concreto. Fueron utilizados barras de cobre como base para la construcción de la mayoría de las mallas. En la primera etapa fueron consideradas cinco configuraciones: 1 barra simple; 3 y 5 barras en línea; 3 barras en V y 3 barras en triángulo.

El local donde estas mallas fueron construidas posee suelo homogéneo, del tipo arenoso oscuro, con resistividad alrededor de 1000 Q.m.

A efecto de comparación, fueron construidas dos configuraciones con las mismas características citadas anteriormente, siendo con 1 barra simple y 3 barras en línea, todos envueltos en concreto, en la proporción de cinco porciones de arena gruesa para una de cemento.

Después del uso del concreto, las barras y los conductores quedaron con diámetro de 40 cm. La reducción de resistencia de tierra después, con el concreto, fue de 38% en relación a la convencional.

En el caso de la malla con tres barras alineados, la reducción fue de 33,9% con o uso del concreto. La Fig. 1 muestra una malla con conductores y barras envueltos en concreto.

De este modo, los autores (Clausen et al., 2004) presentaron resultados de mediciones que posibilitaron la proposición de una nueva técnica de aterramiento para sistemas de distribución de energía, o sea, la utilización del propio poste duplo "T" como parte del aterramiento eléctrico, pues con el uso de las barras concretadas e de los propios postes, los resultados medidos en campo fueron excelentes. En Souza et al. (2007) fueron analizadas alternativas para la construcción de mallas de aterramiento en un suelo con alta resistividad eléctrica, con base en resultados obtenidos en mediciones.

Fig. 1: Malla con conductores y barras envueltos en concreto (Clausen et al., 2004)

En la primera etapa, fueron construidas dos mallas en triángulo, una con barras convencionales y otra con barras concretadas. La malla utilizando barras concretadas fue construida con la misma mezcla de concreto que es usada para construcción de postes de las redes de distribución de energía eléctrica.

Después de la construcción de las dos mallas, fueron iniciadas las mediciones a través de la utilización de un terrómetro digital de cuatro puntas (Devarakonda et al., 2007). Los valores de resistencia de tierra fueron obtenidos durante dos períodos (lluvioso y seco).

El aterramiento que utilizó barras concretadas presentó valores de resistencia de tierra significativamente menores cuando comparados con la malla de aterramiento convencional. Para el período seco, la malla con barras concretadas presentó reducción de 61% del valor de resistencia de tierra en comparación con el valor de la malla convencional.

El valor de resistencia para el período lluvioso presentó reducción de 34% en relación a la malla convencional.

Los resultados mostrados en Clausen et al. (2004) y Souza et al. (2007) fueron obtenidos a través de mediciones en el campo, sin que se realizaran comparaciones con cálculos teóricos de las resistencias de tierra.

Diseño de una red de tierra en base a la norma IEEE Std 80 – 2000

Procedimiento de diseño de una red de tierras en base a la norma IEEE Std 80 – 2000

Criterios de diseño

El factor más importante de la resistencia a tierra no es el electrodo en sí, sino la resistividad del suelo mismo, por ello es requisito conocerla para calcular y diseñar la puesta a tierra de sistemas. La resistividad del suelo es la propiedad que tiene éste, para conducir electricidad, es conocida además como la resistencia específica del terreno. En su medición, se promedian los efectos de las diferentes capas que componen el terreno bajo estudio, ya que éstos no suelen ser uniformes en cuanto a su composición, obteniéndose lo que se denomina "Resistividad Aparente". La resistividad del terreno está determinada por:

a) SALES SOLUBLES La resistividad del suelo es determinada principalmente por su cantidad de electrolitos; esto es, por la cantidad de humedad, minerales y sales disueltas.

b) COMPOSICIÓN DEL TERRENO La composición del terreno depende de la naturaleza del mismo. Por ejemplo, el suelo de arcilla normal tiene una resistividad de 40-500 ohm-m por lo que una varilla electrodo enterrada 3 m tendrá una resistencia a tierra de 15 a 200 ohms respectivamente. En cambio, la resistividad de un terreno rocoso es de 5000 ohm-m o más alta, y tratar de conseguir una resistencia a tierra de unos 100 ohm o menos con una sola varilla electrodo es virtualmente imposible.

c) ESTRATIGRAFÍA El terreno obviamente no es uniforme en sus capas. En los 3 m de longitud de una varilla electrodo típica, al menos se encuentran dos capas diferentes de suelos.

d) GRANULOMETRÍA Influye bastante sobre la porosidad y el poder retenedor de humedad y sobre la calidad del contacto con los electrodos aumentando la resistividad con el mayor tamaño de los granos de la tierra. Por esta razón la resistividad de la grava es superior a la de la arena y ésta es mayor que la arcilla.

e) ESTADO HIGROMÉTRICO El contenido de agua y la humedad influyen en forma apreciable. Su valor varía con el clima, época del año, profundidad y el nivel freático. Como ejemplo, la resistividad del suelo se eleva considerablemente cuando el contenido de humedad se reduce a menos del 15% del peso de éste. Pero, un mayor contenido de humedad del 15% mencionado, causa que la resistividad sea prácticamente constante. Puede tenerse el caso de que en tiempo de secas, un terreno llegue a tener tal resistividad que no pueda ser empleado en el sistema de tierras.

f) TEMPERATURA A medida que desciende la temperatura aumenta la resistividad del terreno y ese aumento se nota aún más al llegar a 0° C, hasta el punto que, a medida que es mayor la cantidad de agua en estado de congelación, se va reduciendo el movimiento de los electrolitos los cuales influyen en la resistividad de la tierra

g) COMPACTACIÓN La resistividad del terreno disminuye al aumentar la compactación del mismo. Por ello, se procurará siempre colocar los electrodos en los terrenos más compactos posibles.

MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DEL SUELO

     La resistividad del terreno se mide fundamentalmente para encontrar la profundidad y grueso de la roca en estudios geofísicos, así como para encontrar los puntos óptimos para localizar la red de tierras de una subestación. En general, los lugares con resistividad baja tienden a incrementar la corrosión. En este punto es necesario aclarar que la medición de la resistividad del terreno, no es requisito para hacer una malla de puesta a tierra. Aunque para diseñar un sistema de tierras de gran tamaño, es aconsejable encontrar el área de más baja resistividad para lograr la instalación más económica. TELURÓMETRO Para medir la resistividad del suelo se requiere de un telurómetro de cuatro terminales llamado en algunas zonas de México como "terrómetro" o "Megger de tierras”.

Los telurómetros inyectan una corriente de frecuencia diferente a 60 Hz para evitar se midan voltajes y corrientes de ruidos eléctricos. Los telurómetros tienen cuatro terminales: 2 de corriente (C1, C2) y 2 de potencial (P1, P2) que están marcadas en el aparato C1 P1 P2 C2. Como la medición obtenida por un telurómetro es puntual, para obtener una lectura promedio del sitio, se deben hacer mediciones en un sentido, en otro a 90 grados del primero y en el sentido de las diagonales. En la medición de resistividad de un terreno, es común encontrar valores muy dispares, causados por la geología del terreno, por lo que es una práctica común el eliminar los valores que estén 50% arriba o abajo del promedio aritmético de todos los valores capturados. El estudio de resistividad de un terreno conlleva el obtener el perfil de resistividad del suelo en varios puntos y con esos valores se puede determinar la profundidad de nuestro sistema de puesta a tierra.

MÉTODO DE WENNER

El método de los 4 puntos de Wenner, es la técnica más utilizada comúnmente. Consiste básicamente en 4 electrodos enterrados dentro del suelo a lo largo de una línea recta, a igual distancia A de separación, enterrada a una profundidad B. La tensión entre los dos electrodos interiores de potencial es medido y dividido entre la corriente que fluye a través de los otros dos electrodos externos para dar un valor de resistencia mutua R en Ω. Existen 2 variaciones de este método:

a)  Electrodos igualmente espaciados o arreglo de Wenner.

Donde:

A = Separación entre varillas adyacentes en m.

B = Profundidad de los electrodos en m.

C = Electrodo de corriente.

P = Electrodo de potencial.

Si la relación A/B es menor a 20 entonces se utilizará la siguiente fórmula para calcular la resistividad del terreno:

Si “A” y “B” se miden en cm o en m y la resistencia R en Ω, la resistividad estará dada en Ωcm o en Ω-m respectivamente. Si la longitud “B” es mucho menor que la longitud “A”, es decir cuando la relación A/B sea mayor o igual a 20, puede suponerse B=0 y la fórmula se reduce a:

ρ = 2πAR

Con estas fórmulas se obtiene la resistividad promedio del terreno, también conocida como resistividad aparente. Las lecturas obtenidas en campo pueden graficarse en función de su espaciamiento indicándonos en donde existen capas de diferente tipo de suelo con sus resistividades y profundidades respectivas.

a)  Electrodos no igualmente espaciados o arreglo de Schlumberger - Palmer Una desventaja del método de Wenner es el decremento rápido en la magnitud de la tensión entre los 2 electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente, puede utilizarse el arreglo mostrado en la siguiente figura:

La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “A” representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad “B”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e información sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que se realizó la medición.

Los conductores desnudos enterrados que se encuentren en contacto con el suelo pueden invalidar lecturas realizadas por el método descrito si están bastante juntos de manera que alteren la trayectoria del flujo de la corriente.

En tales casos una lectura poco aproximada deberá ser tomada a corta distancia fuera de la rejilla para tierra, con los electrodos de prueba en tal posición que minimicen el efecto de la rejilla para tierra sobre las trayectorias de flujo.

Los electrodos de potencial se localizan lo más cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido. La fórmula empleada en éste caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequeña comparada con la separación “d” y “c", entonces la resistividad aparente puede calcularse como:

MÉTODO DE CAÍDA DE POTENCIAL PARA MEDICIÓN DE RESISTENCIA ÓHMICA EN UN SISTEMA DE TIERRA

El método que se utiliza es el de caída de potencial; este procedimiento involucra la utilización de dos electrodos auxiliares: uno de potencial y otro de corriente. Consiste en hacer que circule una corriente de magnitud conocida (I) a través de tierra o electrodo baja prueba (E) y un electrodo de corriente (C), y medir el efecto de esta corriente en términos de la diferencia de potencial (P); la relación V / I da el valor de resistencia.

Procedimiento del diseño de una red de tierras en base a la normatividad La normatividad actual indica que el diseño de una red de tierras de una subestación debe tener presente los potenciales de paso y de contacto que salvaguarden la vida de las personas {250-156, 921-18}. Existen métodos de cálculo de redes de tierras basados en manuales de diseño y en el estándar IEEE Std 80-2000. Las ecuaciones simplificadas de dichos manuales nos son útiles cuando la resistividad del terreno se puede representar mediante el modelo de suelo homogéneo.

  

VALORES ACEPTABLES DE RESISTENCIA A TIERRA DE SUBESTACIONES

Para subestaciones, la NOM menciona:

921-25

b) Resistencia a tierra del sistema: La resistencia eléctrica total del sistema de tierra incluyendo todos los elementos que lo forman, deben conservarse en un valor menor que lo indicado en la tabla siguiente:

Hay que recordar que la resistencia a tierra del Sistema determina la relación entre la tensión de falla y la corriente a tierra, y la configuración de los electrodos determina la distribución del potencial en la superficie de la tierra, y esa distribución del potencial es de importancia ya que en el suelo puede ser tan alto que puede ser letal para una persona.

Esa distribución del potencial se controla usando las mallas de tierra, las cuales disminuyen la resistencia de tierra y las inductancias que se generan con corrientes de alta frecuencia.

Las mallas las forman normalmente conductores enterrados unidos entre sí con soldadura exotérmica o con conectores junto con varillas verticales.

Diseño de sistema de puesta a tierra

Diseño de un Sistema de Puesta a Tierra

Tiempo Máximo de Duración de la Falla: Cuando se produce una falla a tierra los efectos térmicos y mecánicos sobre los equipos que conforman una subestación, pueden llegar a ser muy destructivos, por lo que su eliminación mediante equipos que despejen dichas fallas, debe ser lo más rápido posible para así limitar sus efectos dañinos. En media tensión los equipos más utilizados para realizar dicho despeje en las redes son: fusibles, reconectores y seccionadores, y en las subestaciones interruptores o reconectores. El tiempo máximo que se considera, es el tiempo máximo de actuación de los equipos de despeje usado.

Cálculo de la Sección Mínima del Conductor: Para el cálculo de la sección mínima del conductor de acople, se va a utilizar la versión resumida de la ecuación de Sverak:

A continuación se presenta la tabla 3.3, con los valores correspondientes de calibres de conductores redondos clase B:

Cálculo de la Corriente de Falla: En la metodología planteada se va a considerar una barra infinita, ya que no se conoce la impedancia característica desde la fuente a la subestación. Con esta consideración se asegura que la corriente de falla a calcular va a ser superior a la que realmente es, ya que una barra infinita tiene una impedancia equivalente igual a cero y una tensión constante. La corriente de falla simétrica máxima según la norma ANSI/IEEE 141-1986, es:

Cálculo de la Resistencia de Puesta A Tierra: La resistencia de puesta a tierra, es la resistencia que existe entre el sistema de puesta a tierra (malla a tierra) y un punto lejano del terreno a potencial cero: Ecuación 3.12

Selección de la Configuración Tipo para el Diseño de Puesta a Tierra: Con la resistencia de tierra ya calculada con (3.12), se selecciona en las tablas, la configuración donde kr sea menor o igual a la resistencia Rt dividida entre la resistividad del terreno:

luego de seleccionar el diseño a usar, se calcula nuevamente R´t con el valor de kr de dicho diseño:

                     

y con este valor se obtiene I´f :

Valores de Resistencia de Puesta a Tierra (R´T) y Tensiones (V´P, V´P(acc) y V´C ) de la Configuración Tipo Seleccionada, para la Resistividad del Terreno Medido (ρ): Estos valores se calculan mediante el uso de los valores unitarios que aparecen en las tablas de la configuración seleccionada, y con estos valores se obtiene:

Cálculo de los Valores Admisibles de Tensión de Paso y Tensión de Contacto:

En la MIE-RAT 13 apartado 1.1 establece la tensión máxima aplicable al cuerpo humano, entre manos y pies es la siguiente:

Considerando que la tensión máxima aplicable al cuerpo humano entre manos y pies, no supere el valor obtenido en la formula anterior para las tensiones de toque, ni supere 10 veces dicho valor para las tensiones de paso, los valores máximos admisibles de las tensiones de paso y toque, y por tanto no pueden ser superadas en una instalación son las siguientes:

 Estas fórmulas se obtuvieron tomando en cuenta que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 Ω y cada pie se ha asimilado a un electrodo en forma de placa de 200 cm2 de superficie que ejerza sobre el suelo una fuerza de 250N, lo que representa a una resistencia de contacto con el suelo evaluada en 3ρs . En caso de que la resistividad del terreno sea distinta para cada pie (en el caso de acceso a la subestación), la tensión de paso será:

Verificación de los Datos Calculados: Para confirmar que el diseño seleccionado está correcto, los datos calculados deberán cumplir con lo siguiente:

1.    Tensión de paso en el exterior calculada sea menor o igual que el valor admisible:

2.    Tensión de contacto calculada sea menor o igual que el valor admisible:

En caso contrario se adoptarán medidas adicionales de seguridad. En este caso la tensión de paso de acceso es:

Correcciones y Ajustes del Diseño Inicial: En el caso en que los cálculos arrojados para la selección del diseño inicial no cumpla alguna de las condiciones anteriormente indicadas, se deberá escoger otra configuración tipo y repetir todo el proceso anteriormente reseñado, aumentando la longitud total del conductor horizontal, el número de barras verticales o su longitud, para que disminuya el valor de Rt , y en consecuencia los valores de V´p y V´c.

 CALCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE UNA SUBESTACIÓN

Introducción

El Reglamento Técnico para Instalaciones Eléctricas RETIE, en revisión más reciente a la norma 2050 establece en el articulo 15 del capitulo de Puestas a tierra que toda instalación eléctrica cubierta en dicho reglamento debe disponer de un sistema de puesta a tierra (SPT), en tal forma que cualquier punto accesible a las personas que puedan transitar o permanecer allí, no estén sometidas a tensiones de paso o de contacto que superen los umbrales de soportabilidad, cuando se presente una falla, y se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima corriente que pueden soportar, debida a la tensión de paso o de contacto y no el valor de la resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Un bajo valor de resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir el máximo potencial de tierra, por tanto al diseñar un sistema de puesta a tierra, es fundamental determinar tensiones máximas aplicadas al ser humano en caso de falla. En el presente artículo desarrollara la metodología para el diseño de una malla de puesta a tierra teniendo en cuenta los aspectos normativos.

FUNCIONES DE UNA MALLA DE PUESTA A TIERRA

Entre las más importantes se tienen:

a)    Evitan sobrevoltajes producidos por descargas atmosféricas, operación o maniobras de disyuntores.

b)    Proporcionar una vía rápida de descarga de baja impedancia con el fin de mejorar y asegurar el funcionamiento de protecciones.

c)    Proporcionar seguridad al personal de la subestación.

REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA

Los requisitos que debe cumplir una malla de puesta a tierra son los siguientes:

a. Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra.

b. La variación de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser despreciable de manera que la corriente de falla a tierra, en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las protecciones.

c. Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas.

d. Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos.

e. Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo), no debe haber calentamientos excesivos.

f. Debe ser resistente a la corrosión.

TENSIONES DE PASO Y DE CONTACTO PERMISIBLES

Tensión de paso: Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un terreno que pueden ser tocados simultáneamente por una persona; su valor permisible esta dado por:

t = Duración máxima de falla en segundos.

Tensión de contacto: Es la diferencia de potencial entre un punto en la superficie del terreno y cualquier otro punto que se pueda ser tocado simultáneamente por una persona; su valor permisible está dado por:

DISEÑO DE UNA MALLA A TIERRA

El diseño de una malla a tierra está afectado por las siguientes variables:

• Tensión Permisible de Paso.

• Tensión Permisible de contacto.

• Configuración de la malla.

• Resistividad del terreno

• Tiempo máximo de despeje de la falla.

• Conductor de la malla.

• Profundidad de instalación de la malla.

Selección del conductor de la Malla: Para calcular la sección del conductor se aplica la siguiente ecuación:

 Tm = Temperatura máxima en los nodos de la malla (450°C con soldadura y 250°C con amarre pernado.) Ta = Temperatura ambiente (°C). t = Tiempo máximo de despeje de la falla (seg). Sin embargo, la sección mínima recomendable es 2/0 AWG para la malla y 5/8” para las varillas, estos valores mínimos están de acuerdo con prácticas internacionales.

Tensiones Reales de Paso y de contacto

La tensión de paso real en una subestación está dada por:

 Determinación de los coeficientes k m , k i , k s

Para la determinación de los coeficientes es necesario tener en cuenta las siguientes definiciones:

A= Longitud de la malla (m).

B= Ancho de la malla(m).

L= Longitud total del conductor (m).

n= Número de conductores en paralelo de longitud A

m= Número de conductores en paralelo de longitud B.

D= Espaciamiento entre conductores (m).

h= Profundidad de enterramiento (m).

d= Diámetro del conductor(m) La longitud total del conductor está dada por

Valor de la resistencia de Puestas a Tierra.

El cálculo de la resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el método de Laurent y Niemann o por método de Dwinght.

Método de Laurent y Niemann: Este método es bastante aproximado y la expresión para el cálculo es:

Método de Dwight: Este método es mucho más largo pero es mucho más exacto que el anterior. El primer paso consiste en hallar la resistencia de un conductor de la malla.

Rs = Resistencia de puesta a tierra de un solo conductor en Ω

ρ = Resistividad en (Ω-m)

L′ = Longitud del conductor (m)

h = Profundidad de enterramiento del conductor (m)

r = Radio del conductor en m. Una vez calculada esta resistencia, se procede al cálculo de las resistencias debidas a las interferencias mutuas entre los conductores, tal resistencia es:

EJEMPLO

Cálculo de la malla de tierra de una subestación con los siguientes datos: Dimensiones del patio: 40 x 50 m² Corriente máxima de falla: 1000 A Nivel de Tensión (primario): 34.5 kV Resistividad del suelo: 300 (Ω-m) Resistividad de la superficie: 2000 (Ω-m) Tiempo máximo de falla: 1 seg. 6.1 Selección del conductor Sea Ta =30ºC Tm =250ºc (uniones pernadas) Aplicando la Ec (3)

La disposición escogida no cumple con el valor permisible de Et

Se ensaya una nueva disposición con cuadricula de 7m (con 9m ó 8m no cumple) Los nuevos valores son:

A=49m

B=42m

n=7

m=8

D=7m

L=7*49+8*42=679

 

Por lo tanto la disposición asumida de garantía tanto de tener los voltajes de paso y contacto dentro de los permisibles como de que su resistencia es menor que el máximo aceptado.

CÁLCULO DEL NÚMERO DE VARILLAS DE PUESTAS A TIERRA VERTICALES.

El uso de varillas de tierra como único medio de puesta a tierra en una subestación, no es recomendable, ya que con estas no se logra una superficie equipotencial, y por lo tanto las tensiones de paso y de contacto toman valores peligrosos.

Cálculo de la resistencia de una varilla: La resistencia de una varilla enterrada a una profundidad comprendida entre 0.5 y 1m, se calcula por

Número Mínimo de Varillas

Datos de laboratorio muestran que existe un límite en el número de varillas en paralelo, pues su efectividad decrece cuando su número aumenta. Estos resultados se deben al siguiente fenómeno: cuando el número de varillas aumenta en determinada área, el espacio entre eléctrodos decrece. Los cilindros frontera de las varillas, los cuales determinan la resistencia de tierra, tienden a entrecruzarse, reduciendo así la efectividad individual de cada varilla. Manejar demasiadas varillas en un espacio muy estrecho resulta muy costoso y no reduce significativamente la resistencia. Para determinar el número aproximado de varillas requeridas en un área dada de una subestación, se deben seguir los siguientes pasos:

ü  Calcule la resistencia de una varilla.

ü  Halle la conductividad de esa varilla.Determine la resistencia deseada del aterrizamiento.

ü  Halle la conductividad de la resistencia anterior.

ü  Calcule la siguiente razón:

CONDUCTIVIDAD DESEADA / CONDUCTIVIDAD DE CADA VARILLA

ü  Determine el área de la subestación

ü  Halle el número de varillas deseadas.

Otras consideraciones.

Si al hallar la razón de conductividad se observa que su valor excede el límite dado para un número infinito de varillas, se sugiere aumentar el área de la subestación o colocar varillas de un largo mayor de 10 ft para alcanzar suelos de mejor resistividad, a tratar el suelo.

Se sugiere colocar las varillas lo más uniformemente distribuidas que se puedan, y en sitios importantes tales como pararrayos y neutros de los transformadores de potencia.

En caso de que el diseño este orientado a una planta o subestación de gran importancia en donde exista la posibilidad de gradientes de potencial peligrosos para el personal aún con la colocación de una buena malla y de varillas de puestas a tierra, la práctica usual es la colocación de contrapesos.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se desarrollará utilizando el software MT, el cual se diseño con metodología IEEE_80.

DATOS:

CORRIENTE MAXIMA DE FALLA 20000 A

NIVEL DE TENSION 33 KV

RESISTIVIDAD DEL SUELO 400 OHMIOS

RESISTIVIDAD SUPERFICIAL 800 OHMIOS

TIEMPO MAXIMO DE FALLA .2 SEG

CONDUCTOR ELEJIDO 2/0 AWG

LONGITUD TOTAL DEL CONDUCTOR 650 MTS

ESPACIAMIENTO ENTRE CONDUCTORES 2 MTS

NUMERO DE CONDUCTORES PARALELO a A 11

NUMERO DE CONDUCTORES PARALELO a B 16

PROFUNDIDAD DE ENTERRAMIENTO .5 MTS 8.2

RESULTADOS: KM= .2170901 KS= .8134693

RESISTENCIA DE LA MALLA SEGUN LAURENT Y NIEMAN= 7.849544

RESISTENCIA DE LA MALLA SEGUN DWIGHT= 5.700067

VALORES PERMISIBLES DE EP Y ET

TENSION DE PASO = 2157.806 VOLTIOS

TENSION DE CONTACTO= 816.1648 VOLTIOS

VALORES REALES DE EP Y ET

TENSION DE PASO= 20.02386 VOLTIOS

TENSION DE CONTACTO = 5.343755 VOLTIOS

CONCLUSIONES

Este diseño presenta un pequeño sobredimensionamiento, No obstante dado que el objetivo principal es proporcionar ante todo seguridad humana, el costo queda relegado a un segundo plano. La Norma ANSI IEEE 80_2000 introduce algunos cambios interesantes a la metodología empleada. Se espera en un futuro disminuir la complejidad de los cálculos, algunos de los cuales, se obtienen aún de forma empírica.

BIBLIOGRAFIA

[1] REGLAMENTO TÉCNICO PARA INSTALACIONES ELECTRICAS “RETIE” http://minminas.gov.co

[2] GARCIA MARQUE ROGELIO “LA PUESTA A TIERRA DE INSTALACIONES ELCTRICAS” Editorial Alfa y Omega 1999

[3] NORMA ANSI/IEEE Std 80 _1986.

[4] NORMA ANSI/IEEE Std 80 _2000.

[5] DIAS PABLO “SOLUCIONES PRACTICAS PARA LA PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS ELECTRICOS” Editorial Mc Graw Hill 2001.