IEEE - Gua para la Seguridad de puesta a tierra en Subestaciones de C.A.

Introduccin

(Esta introduccin no es parte del Std 80-2000 IEEE, Gua sobre Seguridad de la conexin a tierra en Subestaciones de C.A.)

Esta cuarta edicin supone la segunda revisin importante de esta gua desde su primera edicin en 1961.

Las Principales modificaciones incluyen la ampliacin de las ecuaciones para el clculo de tensiones de toque y paso para incluir a las redes en forma de L y en forma de T; la introduccin de las curvas para ayudar a determinar la divisin de corriente; modificaciones a las curvas de factor de reduccin por material de la superficie; cambios en los criterios para la seleccin de los conductores y las conexiones; informacin adicional sobre la interpretacin de la medicin de resistividad; y la discusin de los suelos de varias capas. Otros cambios y adiciones se hicieron en las reas de gas y subestaciones, las ecuaciones para el clculo de la resistencia de la malla, y de los anexos. La cuarta edicin contina construyendo sobre las bases puestas por tres grupos de trabajo anteriores: Grupo de Trabajo 56.1 AIEE y Grupos de trabajo 69.1 y 78.1. IEEE. El trabajo de preparacin de esta norma fue realizada por el Grupo de Trabajo D7 de la Subcomisin de subestaciones de distribucin y fue patrocinado por el Comit de Subestaciones de la IEEE Power Engineering Society. Esta cuarta edicin de la Std 80 IEEE est dedicada a la memoria de JG Sverak, que, a travs de sus conocimientos tcnicos y experiencia, desarrollando las ecuaciones para el clculo de tensiones de tacto y de paso y las ecuaciones de la resistencia de la malla utilizadas en la edicin de 1986 de esta gua. Su liderazgo, el humor y la perseverancia como Presidente del Grupo de Trabajo 78.1 han conducido a la ampliacin del conocimiento de puesta a tierra de subestaciones en el Std 80-1986 IEEE.

Gua IEEE para la Seguridad de puesta a tierra en Subestacin de C.A.

1.

Informacin general

1.1 mbito de aplicacin

Esta gua se centra principalmente en las subestaciones de corriente alterna al aire libre, ya sea convencional o de aislamiento gaseoso. Subestaciones de Distribucin, transmisin, y plantas de generacin estn incluidas. Con cautela, los mtodos descritos aqu son tambin aplicables a las porciones interiores de las subestaciones, o para las subestaciones que sean plenamente en el interior1

.

No se pretende cubrir los problemas de puesta a tierra propia de las subestaciones de corriente continua. Un anlisis cuantitativo de los efectos de las sobretensiones por relmpagos esta tambin ms all del alcance de esta gua.

1.2 Propsito

La intencin de esta gua es proporcionar orientacin e informacin pertinente a las prcticas de seguridad de conexin a tierra en el diseo de subestaciones de corriente alterna.

Los objetivos especficos de esta gua son

a)

b)

Establecer, como base para el diseo, los lmites de seguridad de las posibles diferencias que puedan existir en una subestacin en condiciones de falla entre los puntos que puede ser contactado por el cuerpo humano.

c)

Examinar las prcticas de puesta a tierra de la subestacin con especial referencia a la seguridad, y desarrollar criterios para un diseo seguro.

d)

Proporcionar un procedimiento para el diseo de sistemas de puesta a tierra prctico, basado en estos criterios. Desarrollar mtodos de anlisis como una ayuda en la comprensin y solucin de los problemas tpicos de gradiente.

El concepto y el uso de criterios de seguridad se describen en la clusula 1, hasta la clusula 8, los aspectos prcticos del diseo de un sistema de tierra estn cubiertas desde la clusula 9 a la 13, y los procedimientos y tcnicas de evaluacin para la evaluacin del sistema de puesta a tierra (en trminos de criterios de seguridad) se describe desde la clusula 14 a la 20. El Material de apoyo se organiza en los anexos de la A al Anexo G.

Esta gua se basa principalmente en prcticas de puesta a tierra segura para las frecuencias de energa en el rango de 50-60 Hz. Los problemas peculiares de las subestaciones de corriente continua y los efectos de sobretensiones elctricas por rayos estn fuera del alcance de esta gua. 1Obviamente, los mismos problemas de gradiente de tierra que existen en el patio de la subestacin no deben estar presentes dentro de un edificio. Esto ser cierto siempre que la superficie del piso o bien asegura un aislamiento eficaz de los potenciales de la tierra, o bien es efectivamente equivalente a una placa conductora o cerca de la red o malla que est siempre en el potencial de tierra de la subestacin, incluyendo la estructura del edificio e instalaciones fijas. Por lo tanto, incluso en una subestacin totalmente cubierta, puede ser necesario tener en cuenta algunos de los posibles peligros de los gradientes del permetro (en las entradas del edificio) y de potenciales transferidos descritos en la clusula 8. Por otra parte, en el caso de instalaciones interiores con aislamiento en gas, el efecto de las corrientes circulantes en el recinto puede ser motivo de preocupacin, como se discute en la Clusula 10.

Un sistema de puesta a tierra diseado como aqu describimos, sin embargo, presenta cierto grado de proteccin contra sobretensiones de frentes de onda empinadas que se introduzcan en la subestacin y que pasen a travs de sus electrodos de tierra.2

Otras referencias se deben consultar para obtener ms informacin sobre estos temas. 2La

mayor impedancia ofrecida frente a los aumentos repentinos de tensiones tanto aumentar la cada de tensin en los conductores de tierra a la red, como disminuir la efectividad de las partes ms distantes de la red.

En contrapartida, en gran medida es el hecho de que el cuerpo humano al parecer, puede tolerar mucho mayores magnitudes de corrientes en el caso de los aumentos repentinos por relmpagos que en el caso de corrientes a 50 Hz o 60 Hz.

1.3 Relacin con otros estndares

Los siguientes estndares ofrecen informacin

sobre aspectos especficos de puesta a tierra:

El estndar IEEE 81-19833

y el estndar IEEE 81.2-1991 prevn procedimientos para la medicin de la resistividad del terreno, la resistencia del sistema de tierra instalada, los gradientes de la superficie, y la continuidad de los conductores de la malla.

El estndar IEEE 142-1991, tambin conocido como el Libro Verde de la IEEE, cubre algunos de los aspectos prcticos de puesta a tierra, como tierra de equipo, enrutamiento de cables para evitar las corrientes inducidas por tierra, cubierta del cable a tierra, instalaciones estticas y proteccin contra rayos, cubierta, etc.

El estndar IEEE 367-1996 proporciona una explicacin detallada del fenmeno corriente asimtrica y de la divisin de la corriente de falla, que en gran medida, se da aqu en paralelo. Por supuesto, el lector debe ser consciente de que la subida del potencial de tierra, calculada a los efectos de la proteccin de las telecomunicaciones y aplicaciones de transmisin se basa en un conjunto diferente de suposiciones relativas a la mxima corriente de la malla, en comparacin con los utilizados para los fines de esta gua.

El estndar IEEE 665-1995 proporciona una explicacin detallada de las prcticas de toma de tierra en estaciones de generacin.

El estndar IEEE 837-1989 establece pruebas y criterios para seleccionar las conexiones que se utilizarn en el sistema de puesta a tierra que respondern a las preocupaciones descritas en la Clusula 11.

2. Referencias

Esta gua debe utilizarse en conjuncin con las siguientes publicaciones. Cuando las siguientes normas sean sustituidas por una revisin aprobada, la revisin se aplicar.

Comit Acreditado de Normas C2-1997, Cdigo Nacional de Seguridad Elctrica (NESC).

4

Estndar IEEE 81-1983, Gua de la IEEE para la medicin de la resistividad del terreno, Impedancia de tierra y los potenciales de superficie de la Tierra de un Sistema a Tierra (Parte 1).5 Estndar IEEE 81.2-1992, Gua de la IEEE para la medicin de Sistemas de puesta a tierra

Extendido o Interconectados (Parte 2). 3La informacin sobre las referencias se pueden encontrar en la Clusula 2. 4 El NESC est disponible en el Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).

5Las publicaciones IEEE estn disponibles en el Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).

Estndar IEEE 142-1991, IEEE prctica recomendada de puesta a tierra de sistemas de potencia industrial y comercial (IEEE Libro Verde).

Estndar IEEE 367-1996, IEEE Prctica recomendada para determinar subida de potencial de tierra y tensin inducida de una falla de energa en Subestaciones.

Estndar IEEE 487-1992, IEEE Prctica recomendada para la Proteccin de los cables de la lnea e instalaciones de comunicacin al servicio de las centrales de electricidad.

Estndar IEEE 525-1992 (Reaff 1999), Gua de IEEE para el diseo e instalacin de sistemas de cable en las subestaciones.

Estndar IEEE 665-1995, IEEE Gua para la puesta a tierra de estacin de Generacin.

Estndar IEEE 837-1989 (Reaff 1996), Norma IEEE para la calificacin de Conexiones Permanentes empleadas en puesta a tierra de subestaciones.

Estndar

IEEE 1100-1999, IEEE prctica recomendada para la alimentacin y conexin a tierra de equipos electrnicos (Libro esmeralda IEEE).

Estndar IEEE C37.122-1993, Norma IEEE para gas y subestaciones. Estndar

IEEE C37.122.1-1993, Gua de IEEE para gas y subestaciones.

3. Definiciones

La mayora de las definiciones que figuran en este documento pertenecen exclusivamente a la aplicacin de esta gua. No se har ms referencias a cualquiera de las definiciones que aparecen abajo, salvo que sea necesario para mayor claridad. Las dems definiciones se colocan en el texto de determinadas clusulas. Para las definiciones adicionales se refieren a El Diccionario de trminos estndar IEEE elctricos y electrnicos [B86] .

6

3.1 Electrodo de tierra auxiliar:

Un electrodo de tierra con un diseo determinado o limitaciones de funcionamiento. Su principal funcin no puede ser otra que la conduccin de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.

3.2 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase estn unidos entre s para proporcionar un camino elctricamente contino de corriente a lo largo del recinto entero. Empalmes, conectando los recintos de otra fase, se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalacin y en algunos puntos intermedios seleccionados. 3.3 Desplazamiento DC: Diferencia entre la onda de corriente simtrica y la real onda de corriente durante una condicin transitoria de un sistema de potencia. Matemticamente, la corriente de falla real se puede dividir en dos partes, una componente alterna simtrica y una unidireccional (dc). La componente unidireccional puede ser de cualquier polaridad, pero no va a cambiar la polaridad, y disminuir en alguna tasa predeterminada. 6 Los nmeros entre parntesis corresponden a los de la bibliografa en el anexo A

3.4 Factor de Decremento: Un factor de ajuste se utiliza junto con el parmetro corriente de falla simtrica de tierra en los clculos de puesta a tierra orientados a la seguridad. Se determina el equivalente efectivo de la onda de corriente asimtrica para una duracin determinada falla, tf, lo que representa el efecto de la primera desviacin y su atenuacin en la falla. 3.5 Corriente de Falla Asimtrica Efectiva:

El valor efectivo de la onda de corriente asimtrica, integrada en el intervalo de tiempo de fallo (ver Figura 1).

IF = Df If

(1)

Dnde: IF es la corriente de falla asimtrica en A If es la corriente de falla de tierra RMS simtrica en A Df

es el factor de disminucin

Figura 1 - Relacin entre los valores reales de corriente de falla y los valores de If, If, y Df para una falla de duracin tf.

3.6 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas

en la caja metlica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s).

(2)

3.7 Factor de Divisin de Corriente de Falla: Un factor que representa la inversa de una relacin simtrica de la falla de corriente a la parte de la corriente que fluye entre la red de puesta a tierra y la tierra circundante.

Dnde Sf es el factor de divisin de corriente de falla Ig es el valor eficaz de la corriente simtrica en la malla en A I0

es la corriente de falla de secuencia cero en A

NOTA-En realidad, el factor de divisin de corriente podra cambiar durante la duracin de la falla, sobre la base de las tasas de atenuacin variable de las contribuciones a la falla y la secuencia de operacin del dispositivo. Sin embargo, para efectos del clculo el valor de diseo de la corriente mxima y corriente simtrica de la malla por definicin de corriente simtrica y corriente mxima,

la relacin se supone constante durante toda la duracin de una falla determinada.

3.8 Subestacin de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente de montaje compacto, introducido en una caja metlica conectada a tierra en el que el principal medio de aislamiento es un gas, y que normalmente consiste en buses, interruptores y equipos asociados (subconjuntos).

3.9 Tierra: Conexin conductora, intencional o accidental, por el cual un circuito elctrico o

equipo est conectado a la tierra o a algn cuerpo conductor con extensin relativamente grande que sirve en su lugar de la tierra.

3.10 Aterrado: Un sistema, circuito, o aparato provisto de una conexin a tierra a los efectos de establecer un circuito de retorno a tierra y para mantener su potencial en aproximadamente el potencial de la tierra.

3.11 Corriente de Tierra: Una corriente que fluye hacia o fuera de la tierra o su equivalente que acta como una tierra.

3.12 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipacin de la corriente de tierra en la tierra.

3.13 Malla de Tierra: Una placa metlica slida o un sistema de conductores desnudos muy prximos entre s que estn conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas

por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de proteccin minimizando el peligro de la exposicin a altas tensiones de paso o contacto en un rea de operacin crtica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra.

3.14 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El mximo potencial elctrico que la malla de puesta a tierra de una subestacin puede alcanzar en relacin a un punto de conexin a tierra lejana que se supone que est al potencial de tierra

remota. Esta tensin, GPR, es igual a la corriente mxima de la malla por la resistencia de la malla.

NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestacin a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia.

3.15 Circuito de Retorno a Tierra: Un circuito en el que la tierra o un cuerpo conductor equivalente se utiliza para completar el circuito y permite la circulacin de corriente desde o hacia su fuente de corriente.

3.16 Mallado de Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base comn de tierra para los dispositivos elctricos o estructuras metlicas, por lo general en una ubicacin especfica.

NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra tambin son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red tpica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a ms electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia.

3.17 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un rea especfica.

3.18 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexin de todos los componentes metlicos designados de la subestacin de aislamiento a gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestacin. 3.19 Mxima Corriente de Malla:

(3) Un valor de diseo de la corriente mxima de la malla, que se define de la siguiente manera

Donde IG es la corriente mxima de la malla en A. Df es el factor de disminucin para toda la duracin tf de la falla, en seg. Ig

es el valor eficaz de la corriente simtrica de la malla en A

3.20 Tensin de Malla: La mxima tensin de contacto dentro de una malla de una malla de tierra.

3.21 Tensin de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metlicos o estructuras dentro del sitio de la subestacin

que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies.

NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensin de contacto metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metlicos internos en la subestacin, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestacin aislada por gas (GIS), la tensin de

contacto metal a metal entre los objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables, debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.

En una subestacin convencional, la peor tensin de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance mximo. Sin embargo, en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies, en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS.

3.22 Cerramiento Discontinuo: Una recinto de bus con las secciones consecutivas del alojamiento del mismo conductor de fase aislada elctricamente (o aislados entre s), de modo que no puede fluir la corriente ms all de cada seccin de la caja.

3.23 Electrodos de Tierra Primaria: Un electrodo de tierra especficamente diseado o adaptado para descargar corriente de la falla a tierra a la tierra, a menudo en un patrn de descarga especfica, segn sea necesario (o llamado implcitamente) por el diseo del sistema de puesta a tierra.

3.24 Tensin de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona

dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningn objeto a tierra.

3.25 Reactancia Subtransitoria: Reactancia de un generador en el inicio de una falla. Esta reactancia se utiliza en clculos de la corriente de falla inicial simtrica. La corriente continua se reduce, pero se supone que se mantuvo en este valor en un primer paso, con una duracin de aproximadamente 0,05 s despus de un error de aplicacin.

3.26 Material de Superficie: Un material instalado sobre el suelo que consiste en, pero no limitado a, roca o piedra triturada, asfalto, o materiales de origen humano. El material de revestimiento, en funcin de la resistividad del material, puede impactar significativamente en la corriente que pueda circular por el cuerpo para las tensiones de tacto y de paso.

(4)

3.27 Corriente Simtrica de la Malla: La parte de la corriente de falla a tierra que fluye simtrica entre las puestas a tierra de la red y la tierra circundante. Puede ser expresado como

Donde Ig es el valor eficaz de la corriente simtrica de la malla en A If es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simtricas de tierra en A Sf

es el factor de divisin de la corriente de falla

3.28 Corriente de Falla a Tierra Simtrica: El valor rms como mximo valor de corriente de falla simtrica despus de la instantnea de una iniciacin de falla a tierra. Como tal, representa el valor eficaz de la componente simtrica en la primera mitad del ciclo de una onda de corriente que se desarrolla despus del instante de fallo en el momento cero.

(5)

Para las fallas fase-tierra

Donde If (0 +) es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simtricos inicial

I0

" es el valor eficaz de la corriente de falla a tierra simtrica de secuencia cero que se desarrolla inmediatamente despus de la iniciacin inmediata de la falla, reflejando las reactancias subtransitoria de mquinas rotativas que contribuyen a la falla.

Esta corriente de falla RMS simtrica se muestra en una notacin abreviada como If, o conocida slo como 3I0.

La razn subyacente de la ltima anotacin es que, para fines de esta gua, la corriente inicial simtrica de falla se supone que permanece constante para toda la duracin de la falla.

3.29 Tensin de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona est de pie y, al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexin a tierra.

3.30 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensin de contacto en caso de transmisin de voltaje que entra o sale de la subestacin a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestacin.

3.31 Voltaje Transitorio Encerrado (TEV): Muy rpidos fenmenos transitorios, que se encuentran en cerramientos aterrados de sistemas GIS. Tpicamente, los cables de tierra son demasiado largos (inductivo) en las frecuencias de inters para prevenir eficazmente la aparicin de TEV. El fenmeno tambin es conocido como aumento de tierra transitoria (TGR) o aumento de potencial de tierra transitorio (TGPR).

3.32 Transitorios Veloces (VFT):

Una clase de transitorios generados internamente dentro de una subestacin aislada por gas (GIS), caracterizada por corta duracin y de muy alta frecuencia. VFT es generado por el rpido colapso de tensin durante la degradacin del gas aislante, ya sea a travs de los contactos de un dispositivo de conmutacin o lnea a tierra durante una falla. Estos transitorios pueden tener tiempos de subida en el orden de nanosegundos lo que implica un contenido de frecuencia que se extiende a cerca de 100 MHz. Sin embargo, las frecuencias de oscilacin dominantes, que van con el tamao fsico de los buses GIS, por lo general estn en el rango de 20-40 MHz.

3.33 Transitorios de Sobretensin Veloces (VFTO): Sistema de sobretensiones que resultan de la generacin de VFT. Mientras VFT es uno de los principales constituyentes de VFTO, algunos componentes de baja frecuencia ( 1 MHz) pueden estar presentes como consecuencia de la descarga de la resistencia interna despreciable (transformadores de tensin). Por lo general, VFTO no superar 2,0 por unidad, aunque magnitudes ms grandes son posibles en casos concretos.

3.34 Relacin X / R: Relacin entre el sistema de reactancia a la resistencia. Es indicativo de la velocidad de desintegracin de cualquier desplazamiento DC. Una gran X / R corresponde a una constante de tiempo grande y un bajo ndice de decadencia.

4. La Seguridad en la Toma de Tierra.

4.1 Problemas Bsicos

En principio, un diseo de puesta a tierra de seguridad tiene los dos objetivos siguientes:

Proporcionar los medios para transportar corrientes elctricas a la tierra en condiciones normales y de anomalas sin exceder cualquier lmite de operacin o funcionamiento de equipo o atentar contra la continuidad del servicio. Para asegurar que una persona en las inmediaciones de las instalaciones del mallado de tierra no est expuesto al peligro de una descarga elctrica crtica.

-

Un enfoque prctico para la seguridad de la conexin a tierra se refiere pues, y se esfuerza para controlar la interaccin de dos sistemas de puesta a tierra, de la siguiente manera:

-

El aterramiento intencional, que consiste en electrodos a tierra enterrados a cierta profundidad debajo de la superficie de la tierra. El aterramiento accidental, temporalmente establecido por una persona expuesta a un gradiente de potencial en las proximidades de una instalacin de puesta a tierra.

Las personas a menudo asumen que cualquier objeto conectado a tierra puede ser tocado con seguridad. Una baja resistencia de tierra en la subestacin no es, en s misma, una garanta de seguridad. No existe una relacin sencilla entre la resistencia del sistema de tierra en su conjunto y el choque de corriente mxima a que pueda tener una persona expuesta. Por lo tanto, una resistencia de tierra relativamente baja en una subestacin puede resultar peligroso, mientras que en otra subestacin con una resistencia muy alta puede ser segura o puede alcanzarse mediante un diseo cuidadoso. Por ejemplo, si una subestacin se suministra a partir de una lnea area con ningn escudo o cable de neutro, una red de baja resistencia es importante.

La mayora o la totalidad de la corriente de falla total a tierra entra en la tierra causando un pronunciado aumento del potencial de tierra local [Vase la figura 2 (a)]. Si un escudo de alambre, cable neutro, bus con aislamiento en gas, o alimentador de cable subterrneo, etc., se utiliza, una parte de la corriente de falla se devuelve a travs de esta conexin metlica directamente a la fuente. Desde este enlace metlico proporciona una ruta de baja impedancia en paralelo al circuito de retorno, el ascenso del potencial de tierra local es en ltima instancia, de magnitud menor [vase la figura 2 (b)]. En cualquier caso, el efecto de la parte de corriente de falla que entra en la tierra dentro del rea de la subestacin deben ser analizadas. Si la geometra, la ubicacin de los electrodos de tierra, las caractersticas locales del suelo y otros factores contribuyen a un gradiente de potencial excesivo en la superficie de la Tierra, el sistema de puesta a tierra puede ser insuficiente a pesar de su capacidad para llevar la corriente de falla en las magnitudes y duraciones permitidas por los rels de proteccin.

La clusula 5 a la 8 detalla las principales hiptesis y criterios que permiten la evaluacin de todos los factores necesarios para proteger la vida humana, el elemento ms preciado del circuito accidental.

4.2 Condiciones de Peligro En condiciones tpicas de falla a tierra, el flujo de corriente a tierra producir gradientes de potenciales dentro y alrededor de una subestacin. La Figura 3 muestra este efecto para una subestacin con una malle (rejilla) rectangular con simple conexin a tierra en un suelo homogneo.

Figura 3 - contornos equipotenciales para una malla (rejilla) de puesta a tierra tpica

con y sin barras de tierra

A menos que se tomen las debidas precauciones en el diseo, los gradientes de potencial mxima a lo largo de la superficie terrestre pueden ser de suficiente magnitud como en condiciones de falla a tierra para poner en peligro a una persona en la zona. Por otra parte, existe el riesgo de tensiones entre las estructuras de toma de tierra o equipos de marcos y la tierra cercana.

a)

Las circunstancias que hacen posibles los accidentes por descargas elctricas son las siguientes:

b)

Relativamente alta corriente falla a tierra en relacin con el rea de sistemas de tierra y su resistencia a la tierra remota.

c)

Resistividad del suelo y la distribucin de las corrientes de tierra de tal manera que altos gradientes de potencial se pueden producir en los puntos en la superficie de la tierra.

d)

Presencia de un individuo en tal punto, tiempo, y posicin que el cuerpo es puente entre dos puntos de diferentes potenciales altos.

e)

La ausencia de suficiente resistencia de contacto u otra resistencia en serie para limitar la corriente a travs del cuerpo a un valor seguro en circunstancias de la a a la c. Duracin de la falla y del contacto del cuerpo, por lo tanto, del flujo de corriente a travs de un cuerpo humano durante un tiempo suficiente para causar dao con la intensidad

de corriente dada.

La relativa escasez de los accidentes se debe principalmente a la baja probabilidad de coincidencia de todas las condiciones desfavorables mencionadas anteriormente.

5. Rango de Corriente Tolerable Efectos de una corriente elctrica que pasa a travs de las partes vitales del cuerpo humano dependen de la duracin, magnitud y frecuencia de esta corriente.

La consecuencia ms peligrosa de tal exposicin es una condicin cardaca conocida como fibrilacin ventricular, lo que resulta en la retencin inmediata de la circulacin sangunea.

5.1 Efecto de la Frecuencia

Los seres humanos son muy vulnerables a los efectos de la corriente elctrica a frecuencias de 50 Hz o 60 Hz. Corrientes de aproximadamente 0,1 A puede ser letal. Las investigaciones indican que el cuerpo humano puede tolerar un poco mayor de 25 Hz en curso y aproximadamente cinco veces mayor en corriente continua. En las frecuencias de 3000-10000 Hz, las corrientes an mayor puede ser tolerada (Dalziel y Mansfield [B33]; Dalziel, Ogden, y [Abbott B36]). En algunos casos el cuerpo humano es capaz de tolerar corrientes muy elevadas debido a las tormentas ciclnicas. La Comisin Electrotcnica Internacional proporciona curvas tolerable para la corriente en el cuerpo en funcin de la frecuencia y para las corrientes de descarga capacitiva [IEC 60479-2 (1987-03)] B83 [)]. Otros estudios de los efectos tanto directos como de las corrientes de impulsos oscilatorios se reportan en Dalziel [B25] [B27].

La informacin relativa a problemas especiales de puesta a tierra de corriente continua est contenida en el informe de 1957 del Comit de Subestaciones AIEE [B21]. Los peligros de una descarga elctrica producida por los efectos electrostticos de lneas de transmisin area se examinan en la Parte 1 del informe de 1972 de la Subcomisin de Sistemas Generales [B88]. Informacin adicional sobre los efectos electrostticos de las lneas areas de transmisin se puede encontrar en el captulo 8 del Libro Referencia del EPRI Lnea de Transmisin de 345 kV y por encima [B57].

5.2 Efecto de la Magnitud y Duracin

Los efectos fisiolgicos ms comunes de la corriente elctrica sobre el cuerpo, se indican en orden creciente de la intensidad de la corriente, son la percepcin de umbral, la contraccin muscular, prdida del conocimiento, la fibrilacin del corazn, bloqueo del nervio respiratorio, y las quemaduras (Geddes y Baker [B74]; IEC 60479 -1 (1994-09) [B82]).

Una Corriente de 1 mA se reconoce generalmente como el umbral de percepcin, es decir,

la magnitud de corriente en que una persona es capaz de detectar una ligera sensacin de hormigueo en las manos o dedos causada por el paso de la corriente (Dalziel [B27]).

Las corrientes de 1-6 mA, a menudo denominadas corrientes de abandono, aunque desagradables para sostener, en general no ponen en peligro la capacidad de una persona que ostente un objeto energizado para el control de sus msculos y liberarlo.

El experimento clsico de Dalziel con 28 mujeres y 134 hombres proporcionan datos que indican un promedio de corriente de abandono total de 10,5 mA para las mujeres y 16 mA para los hombres, y 6 y 9 mA como los valores lmites respectivos (Dalziel y Massogilia [B34]).

En el rango de 9-25 mA, las corrientes pueden ser dolorosas y puede hacer difcil o imposible para liberar objetos energizados agarrados por la mano. Para corrientes an ms altas las contracciones musculares pueden dificultar la respiracin. Estos efectos no son permanentes y desaparecen cuando la corriente se interrumpe, a menos que la contraccin sea muy grave y la respiracin se detiene durante unos minutos en lugar de segundos. Sin embargo, incluso estos casos suelen responder a la reanimacin (Dalziel [B29]).

No es hasta magnitudes de corrientes en el rango de 60-100 mA que se llega a que puedan ocurrir la fibrilacin ventricular, paro del corazn, o la inhibicin de la respiracin y causar lesiones o la muerte.

Una persona entrenada en resucitacin cardiopulmonar (RCP) debe administrar RCP hasta que la vctima pueda ser tratada en un centro mdico (Dalziel [B30]; Dalziel y Lee [B31]).

Por lo tanto, esta gua hace hincapi en la importancia del umbral de fibrilacin. Si las corrientes de choque pueden mantenerse por debajo de este valor por un sistema cuidadosamente diseado de puesta a tierra, las lesiones o la muerte puede ser evitado.

Como muestra Dalziel y otros (Dalziel, Lagen, y Thurston [B35]; Dalziel y Massogilia [B34]), la magnitud de corrientes para no fibrilacin IB

(6)

en duraciones que van 0,03-3,0 s se relaciona con la energa absorbida por el cuerpo como se describe por la siguiente ecuacin:

Donde IB es la magnitud rms de la corriente a travs del cuerpo en A ts es la duracin de la exposicin a la corriente en s SB es la constante emprica relacionada con la energa de choque elctrico tolerado por un cierto porcentaje de una poblacin determinada

Una discusin ms detallada de la ecuacin (6) se prev en la Clusula 6.

5.3 Importancia del Despeje de la Falla a Alta Velocidad

Teniendo en cuenta la importancia de la duracin de la falla tanto en trminos de la ecuacin (6) e, implcitamente, como un factor de exposicin de accidentes, la alta velocidad de despeje de las fallas a tierra es ventajosa por dos razones:

a)

b)

La probabilidad de exposicin a la descarga elctrica se reduce por rpido tiempo de despeje de la falla, en contraste con situaciones en las que las corrientes de falla puede persistir durante varios minutos o incluso horas. Las pruebas y la experiencia muestran que la probabilidad de sufrir lesiones graves o la muerte se reduce considerablemente si la duracin de un flujo de corriente a travs del cuerpo es muy breve.

El valor de corriente puede permitirse, por lo tanto, basarse en el tiempo de despeje de los dispositivos de proteccin primaria, o el de proteccin de respaldo. Un buen ejemplo podra ser por el uso de tiempo de despeje primario debido a la baja probabilidad combinada de que un mal funcionamiento del rel coincidir con todos los dems factores adversos necesarios para un accidente, tal como se describe en la Clusula 4.

Es ms conservador de elegir el tiempo de despeje del rel de respaldo en la ecuacin (6), porque aseguran una mayor margen de seguridad.

Un incentivo adicional para utilizar tiempos de conmutacin menores de 0,5 s resulta de las investigaciones realizadas por Biegelmeier y Lee [B9]. Su investigacin demuestra que un corazn humano se convierte cada vez ms susceptibles a la fibrilacin ventricular cuando el tiempo de exposicin a la corriente se aproxima al del periodo del latido del corazn, pero que el peligro es mucho menor si el tiempo de exposicin a la corriente se encuentra en la regin de 0.06-0.3 s.

En realidad, los altos gradientes de fallas de tierra suelen ser poco frecuentes, y los choques de los altos gradientes de fallas de tierra son an ms infrecuentes. Adems, ambos acontecimientos son a menudo de muy corta duracin. Por lo tanto, no sera prctico para el diseo contra las perturbaciones que no son ms dolorosas y no causan lesiones graves, es decir, para las corrientes por debajo del umbral de fibrilacin.

6. Corriente Lmite Tolerable por el Cuerpo

La magnitud y duracin de la corriente conducida a travs de un cuerpo humano en 50 60 Hz debe ser menor que el valor que puede causar fibrilacin ventricular del corazn.

6.1 Frmula de Duracin

(7)

La duracin para la que una Corriente de 50 o 60 Hz puede ser tolerada por la mayora de las personas est relacionada con su alcance de acuerdo con la ecuacin (6). Basndose en los resultados de los estudios Dalziel (Dalziel [B26]; Dalziel y Lee [B32]), se supone que el 99,5% de todas las personas de manera segura puede soportar, sin fibrilacin ventricular, el paso de una corriente con la magnitud y duracin determinada por la siguiente frmula:

Donde, adems de los trminos previamente definidos para la ecuacin (6)

para un cuerpo de 50 kg (8)

Dalziel descubri que la energa de choque que puede sobrevivir por un 99,5% de personas de aproximadamente 50 kg (110 lb) resulta en un valor de SB de 0,0135. Por lo tanto, K50 = 0,116 y la frmula para la corriente permitida por el cuerpo se convierte en:

La ecuacin (8) resulta en valores de 116 mA para t = 1 s y 367 mA para t = 0,1 s. Debido a que la ecuacin (7) se basa en pruebas limitadas a un rango de entre 0,03 s y 3,0, es evidente

que no es vlida para las duraciones muy cortas o largas. Con los aos, otros investigadores han sugerido otros valores de IB. En 1936, Ferris et al. [B66] sugiri 100 mA como el umbral de fibrilacin. El valor de 100 mA se deriv de extensos experimentos en la Universidad de Columbia. En los experimentos, animales que tenan peso corporal y corazn comparables a los seres humanos fueron sometidos a la duracin de una descarga mxima de 3 s. Algunos de los experimentos ms recientes sugieren la existencia de dos umbrales diferentes: uno en el que la duracin del choque es ms corta que el periodo del latido del corazn y otro donde la duracin de la corriente es ms de un latido del corazn. Para un adulto de mximo 50 kg (110 libras), Biegelmeier [B7] [B8] propuso los valores de umbral a 500 mA y 50 mA, respectivamente. Otros estudios sobre este tema se llevaron a cabo por Lee y Kouwenhoven [B31] [B95] [B99].

La ecuacin para corriente por el cuerpo tolerable desarrollado por Dalziel es la base para la obtencin de voltajes tolerables utilizados en esta gua.

6.2 Hiptesis Alternativas

La corriente de fibrilacin se supone que es una funcin del peso individual, como se ilustra en la Figura 4. La figura muestra la relacin entre el peso de corriente crtica y el cuerpo de varias especies de animales (terneros, perros, ovejas y cerdos), y una regin del 0,5% umbral comn para los mamferos.

En la edicin 1961 de esta gua, las constantes de SB y k en la ecuacin (6) y la ecuacin (7), se expresaron en 0,0272 y 0,165, respectivamente, y se haba supuesto vlido para el 99,5% de todas las personas de alrededor de 70 kg (155 libras). Otros estudios por Dalziel [B28] [B32], en el que la ecuacin (7) se basa, conducen a la alternativa de valor k = 0,157 = 0,0246 y la SB que pueden aplicarse a personas con un peso de 70 kg (155 lb). As

valores de la constante k para valores RMS efectivos de

IB (k=):

K70 K

= 0.091 = 0.157 50

K = 0.067 = 0.116

50 Fibrilacin

= 0.107 = 0.185

Figura 4- corriente de fibrilacin en funcin del peso corporal para varios animales

Para un cuerpo de 70 kg (9)

sobre la base de una duracin de tres segundos de la descarga elctrica

Los usuarios de esta gua podr seleccionar k = 0.157 siempre que el peso promedio de la poblacin se puede esperar que sea por lo menos 70 kg.7 La ecuacin (7) indica que corrientes por el cuerpo mucho mayores puede ser permitidas donde la operacin de los dispositivos de proteccin sea rpida y pueden ser invocados para limitar la duracin de la falla.

Una decisin de juicio se necesita en cuanto a si utilizar el tiempo de despeje de los rels primarios de alta velocidad, o el de la proteccin de respaldo, como base para el clculo.

6.3 Comparacin de las Ecuaciones Dalziel y la Curva de Biegelmeier

La comparacin de la ecuacin (8), la ecuacin (9), y la curva Z de la corriente del cuerpo en funcin del tiempo desarrollado por Biegelmeier que fue publicado por Biegelmeier y Lee [B9] se muestra en la Figura 5. La curva de Z tiene un lmite de 500 mA para tiempos cortos de hasta 0,2 s, y luego disminuye a 50 mA en 2,0 s y ms all.

Figura 5 Corriente en el Cuerpo en funcin del tiempo 7 Por lo general, estas condiciones pueden cumplirse en lugares que no son accesibles al pblico, como en subestaciones protegidos por cercas o paredes, etc. Dependiendo de las circunstancias especficas, la evaluacin debe hacerse si un criterio de 50 kg la ecuacin (8)

debe ser utilizada para las zonas fuera del recinto.

Utilizando la ecuacin (8), la corriente tolerable por el cuerpo ser menor que la curva Z Biegelmeier para tiempos de 0,06 s hasta el 0,7 s.

6.4 Nota sobre la Re-Conexin La re-conexin despus de una falla a tierra es comn en la prctica moderna de operacin. En tales circunstancias, una persona puede ser sometida a la primera descarga sin dao permanente. A continuacin, una simple re-conexin automtica instantnea puede resultar en un segundo choque, iniciado en menos de 0,33 s desde el inicio de la primera. Es este segundo choque, que ocurre despus de un intervalo relativamente corto de tiempo antes de que la persona se haya recuperado, que podran causar un accidente grave. Con la re-conexin manual, la posibilidad de exposicin a un segundo choque se reduce porque el intervalo de tiempo de re-conexin puede ser bastante mayor.

El efecto acumulativo de dos o ms choques muy prximos entre s no ha sido evaluado a fondo, pero una cantidad razonable se pueden hacer mediante la suma de las distintas duraciones de choque como el tiempo de una sola exposicin.

7. Circuito de Tierra Accidental 7.1 La Resistencia del Cuerpo Humano Para DC y corriente alterna de 50 o 60 Hz, el cuerpo humano se puede aproximar a una resistencia. La trayectoria de la corriente se considera tpicamente de una mano a los dos pies, o de un pie al otro. La resistencia interna del cuerpo es de aproximadamente 300 , mientras que los valores de la resistencia del cuerpo incluyendo la piel esta en el rango de 500 a 3000 , como se sugiere en Daziel [B26], Geddes y Baker [B74], Gieiges [B75], Kiselev [B94], y Osypka [B118]. La resistencia del cuerpo humano se reduce por el dao o puncin de la piel en el punto de contacto. Como se mencion en el punto 5.2, Dalziel [B34] llevaron a cabo extensas pruebas con agua salada en las manos y los pies para determinar las corrientes de abandono seguras, con las manos y los pies mojados. Los valores obtenidos con 60 Hz para los hombres fueron los siguientes: la corriente de 9,0 mA, voltajes correspondientes fueron de 21,0 V para la mano-a-mano y 10,2 V para la mano-a-pie.

Por lo tanto, la resistencia AC para un contacto mano a mano es igual a 21.0/0.009 o 2330 , y la resistencia cuerpo a los pies es igual a 10.2/0.009 o 1130 , sobre la base de este experimento.

Por lo tanto, a los efectos de esta gua, las resistencias siguientes, en serie con la resistencia del cuerpo, se supone lo siguiente:

a) b)

Resistencia de contacto de manos y pies son iguales a cero.

Resistencia de guantes y zapatos son iguales a cero.

R

Un valor de 1000 en la ecuacin (10), lo que representa la resistencia de un cuerpo humano de cuerpo a los pies y tambin de la mano-a-mano, o de un pie al otro pie, se utilizan en esta gua.

B

= 1000 (10)

7.2 Rutas de Corrientes a travs del Cuerpo Hay que recordar que la eleccin de un valor de 1000 de resistencia se refiere a rutas como las que existen entre la mano y un pie o ambos pies, donde una parte importante de la corriente pasa a travs de partes del cuerpo que contengan los rganos vitales, incluyendo el corazn. En general se convino en que la corriente que fluye de un pie al otro es mucho menos peligrosa. Al referirse a las pruebas realizadas en Alemania, Loucks [B100] mencion que corrientes mucho ms altas pie a pie y mano-a-pie tenan que ser utilizadas para producir el mismo efecto que una baja corriente en la regin del corazn.

Afirm que la relacin es tan alta como 25:1.

Basndose en estas conclusiones, la resistencia a los valores superiores a 1000 , posiblemente, se podra permitir, cuando se trate de un camino desde un pie al otro pie. Sin embargo, los siguientes factores deben ser considerados:

a)

b)

Un voltaje entre los dos pies, doloroso pero no fatal, puede causar una cada que podra causar un mayor flujo de corriente a travs del rea del pecho. El grado de este riesgo adicional depender de la duracin de fallas y la posibilidad de otro choque sucesivo, tal vez vuelva a cerrarse.

Una persona puede estar trabajando o descansando en una posicin inclinada cuando se produce un fallo.

Es evidente que los peligros de contacto pie a pie, son mucho menores que los de otro tipo. Sin embargo, como las muertes se han producido desde el caso a) anterior, es un peligro que no deben pasarse por alto (Bodier [B14]; Langer [B96]).

7.3 Circuito Equivalente Accidental Usando el valor de la corriente por el cuerpo tolerable establecida por cualquiera de la ecuacin (8) o la ecuacin (9) y las constantes del circuito adecuado, es posible determinar la tensin admisible entre dos puntos de contacto.

Las siguientes anotaciones se utilizan para el circuito equivalente accidental que se muestra en la Figura 6:

Ib es la corriente del cuerpo (el cuerpo es parte del circuito accidental) en A RA es la resistencia total efectiva del circuito accidental en VA

es la tensin total efectiva del circuito accidental (tensin de tacto o de paso) en V

Figura 6- Exposicin a la tensin de contacto

La corriente tolerables del cuerpo, IB, que se define en la ecuacin (8) o la ecuacin (9), se utiliza para definir la tensin total tolerable eficaz del circuito accidental (tensin de toque o de paso): la tensin total tolerable eficaz del circuito accidental es la tensin que causa el flujo de la corriente del cuerpo, Ib, igual a la corriente tolerable del cuerpo, IB

.

La Figura 6 muestra la corriente de falla If cuya descarga a la tierra por el sistema de puesta a tierra de la subestacin y una persona que toque una estructura metlica conectada a tierra en H. Varias impedancias se muestra en el circuito en la Figura 7. El terminal H es un punto en el sistema al mismo potencial de la malla en el que la corriente de falla fluye y el terminal F es el rea pequea en la superficie de la tierra que est en contacto con los dos pies de la persona. La corriente, Ib, fluye desde H a travs del cuerpo de la persona a la tierra en F.

El teorema de Thevenin permite representar estos dos terminales (H, F) de la red de la figura 7, en el circuito de la figura 8 (Dawalibi, Southey, y Baishiki [B49]; Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]).

La tensin de Thvenin V es el voltaje entre las terminales H y F cuando la persona no est presente. La impedancia de Thvenin ZTH es la impedancia del sistema visto desde los puntos H y F con las fuentes de tensin del sistema de cortocircuito. La corriente Ib

(11)

a travs del cuerpo de una persona que entre en contacto con H y F es dada por

Figura 7-Impedancias del circuito de tensin de toque

Figura 8 - circuito de tensin de contacto

Donde RB es la resistencia del cuerpo humano en La figura 9 muestra la corriente de falla If descargndose al suelo por el sistema de puesta a tierra de la subestacin. La corriente, Ib, fluye de un pie F1 a travs del cuerpo de la persona al otro pie, F2. Los terminales F1 y F2 son las reas en la superficie de la tierra que estn en contacto con los dos pies, respectivamente. El teorema de Thevenin nos permite representar estos dos terminales (F1, F2) de la red en la Figura 10. La tensin de Thvenin V es la tensin entre los bornes F1 y F2 cuando la persona no est presente. La impedancia de Thvenin ZTh es la impedancia del sistema vista desde los terminales F1 y F2 con las fuentes de tensin del sistema en cortocircuito. La corriente Ib

a travs del cuerpo de una persona es dada por la ecuacin (11).

La impedancia equivalente de Thvenin, ZTH, es calculable con una serie de mtodos (Dawalibi, Southey, y Baishiki [B49]; Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; ERPI EL-2699 [B60]; Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]; Laurent [B97]). En esta gua, las siguientes frmulas conservadoras de la impedancia equivalente de Thvenin se utilizan.

Figura 9 - La exposicin a la tensin de paso

Figura 10 - Circuito de tensin de Paso

Para circuito accidental de tensin de contacto

(12) Y para circuito accidental de tensin de paso

(13) Donde Rf es la resistencia a tierra de un pie (con presencia del sistema de tierra de la subestacin omitida) en

(14)

A los efectos del anlisis de circuitos, el pie humano es generalmente representado como un disco metlico y la resistencia de contacto de los zapatos, calcetines, etc., se ignora. La resistencia a tierra en ohmios de un disco metlico de radio b (m) en la superficie de una tierra homognea de resistividad ( m) viene dada por Laurent [B97]

Tradicionalmente, el disco metlico que representa el pie se toma como una placa circular con un radio de 0,08 m. Con una simple aproximacin, las ecuaciones para ZTh se pueden obtener en forma numrica y se expresa en trminos de de la siguiente manera.

Para circuito accidental de tensin de contacto

(15) Y para circuito accidental de tensin de paso

(16) Sobre la base de investigacin reportada en Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; Meliopoulos, Xia, Joy, y Cokkonides [B107], y Thapar, Gerez y Kejriwal [B143], las ecuaciones (15) y (16) son

conservadoras en el sentido de que subestiman la impedancia equivalente de Thvenin y, por tanto, dar lugar a corrientes del cuerpo superiores.

La tensin total admisible equivalente (es decir, tensin de tacto y de paso tolerable), utilizando las ecuaciones (15) y (16), es

(17) Y

(18) 7.4 Efectos de una Fina Capa de Material en la Superficie La ecuacin (14) se basa en la hiptesis de una resistividad del suelo uniforme. Sin embargo, una capa de entre 0,08-0,15 m (3-6 in) de material de alta resistividad, tales como grava, se extiende a menudo en la superficie de la tierra por encima de la malla de tierra para aumentar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestacin. La relativa poca profundidad del material de la superficie, en comparacin al radio equivalente del pie, se opone a la asuncin de resistividad uniforme en la direccin vertical cuando se calcul la resistencia de tierra de los pies.

Sin embargo, para una persona en el rea de la subestacin, el material de la superficie se puede asumir de extensin infinita en la direccin lateral.

Si el suelo subyacente tiene una resistividad ms bajo que el material de la superficie, Slo algunas corrientes de la malla ir hacia arriba a la capa delgada de material de la superficie, y la tensin de superficie ser casi la misma que sin el material. La corriente a travs del cuerpo se reducir considerablemente con la adicin del material en la superficie debido a la resistencia de contacto mayor entre la tierra y los pies. Sin embargo, esta resistencia puede ser considerablemente menor a la de una capa superficial de espesor suficiente para asumir la resistividad uniforme en todas las direcciones.

La reduccin depende de los valores relativos de resistividades de la tierra y el material de la superficie, y del grosor del material.

Lo contrario del principio de reduccin de potencia tambin es cierto. Si el suelo subyacente tiene una resistividad mayor que el material de la superficie, una parte sustancial de la corriente de la red ir hacia arriba a la capa delgada de material. Sin embargo, a diferencia del caso descrito en el prrafo anterior, los potenciales de superficie sern modificados sustancialmente debido a la concentracin de la corriente cerca de la superficie. Por lo tanto, la resistencia efectiva del material de la superficie no debe ser actualizada sin tener en cuenta este cambio en el potencial de superficie.

Este problema puede resolverse mejor mediante el uso de anlisis de suelos de varias capas (ver clusula 13).

Una expresin analtica para la resistencia de tierra del pie sobre una fina capa de la superficie del material se puede obtener con el uso del mtodo de las imgenes (Sunde [B130]; Thapar, Gerez, y Emmanuel [B142]; Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]) .

8

8 Las expresiones para la resistencia de tierra del pie dada por la ecuacin (16) a la (19) de la versin 1986 de esta gua se basa en el simple procedimiento de electrodos hemisfricos. Esta simplificacin dio un valor ms bajo de la resistencia de tierra del pie. El error fue significativo para valores bajos de profundidad de la capa superficial. Las nuevas expresiones revisadas para la resistencia a tierra de los pies que figuran en esta norma se basan en la representacin de placa circular del pie.

La ecuacin (19) a la (21) dan la resistencia de tierra del pie con el material en la superficie (Thapar, Gerez y Kejriwal] [B143).

(19)

(20)

(21) Donde Cs es el factor de reduccin de la capa superficial K es el factor de reflexin entre las diferentes resistividades de materiales s es la resistividad del material de la superficie en m es la resistividad de la tierra debajo del material de superficie en m hs es el espesor del material de la superficie en m b es el radio del disco metlico circular que representa el pie en m Rm (2nhs)

es la resistencia de tierra mutua entre dos placas coaxiales, similares, en paralelo, separados por una distancia (2nhs), en un medio infinito de la resistividad, s, en m

Para la determinacin de Rm (2nhs), considera una placa delgada circular, D1, en el plano xy con el eje z que pasa por su centro. El radio de la placa es b y descarga una corriente I en un medio infinito uniforme de resistividad, s

(22)

. Usando coordenadas cilndricas, el potencial en cualquier punto (r, z) est dado por las siguientes ecuaciones (Jackson [B89]):

(23)

(24)

(25)

Considere la posibilidad de otro plato similar, D2, situada en paralelo y coaxial a la placa circular, D1, ya una distancia (2nh) de l. El potencial producido en D2 puede ser determinado mediante la evaluacin de potencial medio sobre la superficie de la placa. Es dado por

La resistencia mutua a tierra, Rm (2nhs), entre las dos placas se da por

(26) Comparando las ecuacin (14) y (19), Cs puede ser considerado como un factor de correccin para calcular la resistencia efectiva del pie en presencia de un espesor finito de material de superficie. Debido a que la cantidad Cs

es bastante aburrida para evaluar sin el uso de un computador, estos valores han sido pre-calculados para b = 0,08 m y se dan en forma de grficos en la Figura 11.

Espesor del material de superficie, hsFigura 11 - C

(metros) s versus h

s

Los modelos por computadora tambin se han utilizado para determinar el valor de Cs

(Dawalibi, Xiong, y Ma [B50]; Meliopoulos, Xia, Joy, y Cokkonides [B107]). Hay una correspondencia estrecha entre los valores obtenidos por estos modelos de computadoras con los valores dados en la Figura 11.

La siguiente ecuacin emprica da el valor de Cs. Los valores de Cs obtenidos utilizando la ecuacin (27) estn dentro del 5% de los valores obtenidos con el mtodo analtico (Thapar, Gerez y Kejriwal [B143]).

(27) 8. Criterios de Tensin Tolerable 8.1 Definiciones

NOTA-Las siguientes definiciones tambin se enumeran en la clusula 3, pero se repiten aqu para comodidad del lector.

8.1.1 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El mximo potencial elctrico que la malla de puesta a tierra de una subestacin puede alcanzar en relacin a un punto de conexin a tierra lejana que se supone que est al potencial de tierra remota. Esta tensin, GPR, es igual a la corriente mxima de la malla por la resistencia de la malla.

NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestacin a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia.

8.1.2 Tensin de Malla: La mxima tensin de contacto dentro de una malla de una malla de tierra.

8.1.3 Tensin de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metlicos o estructuras dentro del sitio de la subestacin

que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies.

NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensin de contacto metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metlicos internos en la subestacin, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestacin aislada por gas (GIS), la tensin de contacto metal a metal entre los objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables, debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.

En una subestacin convencional, la peor tensin de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance mximo. Sin embargo, en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies, en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS.

8.1.4 Tensin de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningn objeto a tierra.

8.1.5 Tensin de Toque o Contacto: La diferencia de potencial entre el Margen de potencial a tierra (GPR) y la superficie potencial en el punto donde una persona est de pie y, al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura con conexin a tierra.

8.1.6 Voltaje Transferido: Un caso especial de la tensin de contacto en caso de transmisin de voltaje que entra o sale de la subestacin a partir de o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestacin.

Figura 14 Tpica situacin de tacto metal-metal en GIS

8.2 Situaciones Tpicas de Choque Las Figura 12 y 13 muestran cinco situaciones bsicas que incluyen a una persona y las instalaciones de tierra durante una falla. Para contacto pie a pie, el circuito equivalente accidental es el de la Figura 9, y su conduccin nominal U es igual a Es (tensin de paso). Para los tres ejemplos de contacto mano-a-pie con la figura 12 se aplica, y U es igual a Et (tensin de contacto), Em (tensin de la malla), o Etrrd (voltaje transferido), respectivamente. El circuito accidental que implica el contacto metal-metal, ya sea de mano a mano o mano-a-pie, se muestra en la Figura 14 donde U es igual a la tensin de contacto metal-metal, Emm

.

Durante una falla, la tierra conduce corrientes que emanan de la red y otros electrodos de tierra permanente, enterrado debajo de la superficie de la tierra. El resultado de gradientes de potencial tienen un efecto primario sobre el valor de U.

En el caso de las subestaciones convencionales, el caso tpico de tensin de contacto metal a metal se produce cuando los objetos metlicos o estructuras dentro del sitio de la subestacin no se adhieren a la red de tierra. Objetos tales como tuberas, rieles, o cercas que se encuentran dentro o cerca del rea de la malla de tierra de la subestacin, y no estn pegadas a la malla, cumplen con estos criterios. Tensiones considerables de toque metal a metal pueden estar presentes cuando una persona est de pie o toca un objeto conectado a tierra o estructura que entra en contacto con un objeto metlico o estructura dentro del rea de la subestacin que no est unido a la red de tierra. El clculo de la tensin de contacto real metal-metal es compleja. En la prctica, los riesgos derivados del contacto metal a metal pueden mejor evitarse uniendo los puntos de potencial peligroso a la malla de tierra de la subestacin.

Por lo general, el caso de tensin transferida se produce cuando una persona de pie en el rea de la subestacin toca un conductor puesto a tierra en un punto remoto, o una persona de pie en un punto remoto toca un conductor conectado a la malla de conexin a tierra de la subestacin. Durante condiciones de falla, el potencial resultante a tierra son iguales o

superiores al completo GPR de una malla de conexin a tierra descargando la corriente de falla, en lugar de la fraccin de esta tensin total encontrado en situaciones ordinarias de contacto de toque (ver Figura 13). De hecho, como se discute en la clusula 17, la tensin transferida podr ser superior a la suma de los GPRs de ambas subestaciones, debido a voltajes inducidos en los circuitos de comunicacin, estticos o cables de neutro, tuberas, etc. No es prctico, y a menudo imposible, disear una malla de tierra sobre la base de la tensin de contacto causada por las tensiones exteriores transferidas. Los peligros de estas tensiones externas transferidas es mejor evitarlas mediante el uso de aislamiento o dispositivos de neutralizacin y por tratamiento y despejes de estos circuitos, tuberas, etc., como equivalentes a las lneas energizadas. 8.3 Criterios para Tensin de Toque y de Paso

La seguridad de una persona depende de la prevencin de la cantidad crtica de energa de choque se absorba antes de que la falla se despeje y el sistema se des-energice. El voltaje mximo de conduccin de cualquier circuito accidental no debe exceder de los lmites definidos de la siguiente manera. Para tensin de paso es el lmite

(28) Para un peso corporal de 50 kg

(29) Para un peso corporal de 70 kg

(30) Del mismo modo, el lmite de tensin de contacto es

(31) Para un peso corporal de 50 kg

(32) Para un peso corporal de 70 kg

(33)

Donde

Estep, es la tensin de paso en V Etouch es la tensin de contacto en V Cs se determina de la Figura 11 o la ecuacin (27) rs es la resistividad del material de superficie en m ts

es la duracin del shock de corriente en segundos

Si no hay usada una capa superficial de proteccin, entonces C = 1 y = s. El lmite de tensin de contacto metal-metal se derivan de las ecuaciones de tensin de contacto, ecuaciones (32) y (33). El contacto metal-metal, tanto de mano a mano y cuerpo a los pies, resultar en s = 0. Por lo tanto, la resistencia total del circuito accidental es igual a la resistencia del cuerpo, RB. Con la sustitucin de s

= 0 en los trminos de las ecuaciones de la resistencia del pie (32) y (33), el lmite de tensin de contacto metal-metal es

Para un peso corporal de 50 kg

(34) Para un peso corporal de 70 kg

(35) Donde Emm es el voltaje de toque metal-metal en V

La real tensin de paso, tensin de toque, o la tensin de contacto metal-metal deben ser inferiores a los lmites mximos permisibles de tensin respectivas para garantizar la seguridad. Los peligros de las tensiones transferidas externas es mejor evitarla a travs del aislamiento o de dispositivos de neutralizacin y etiquetando estos puntos de peligro, como las lneas.

8.4 Situaciones Tpicas de una Descarga en Subestaciones con Aislamiento a Gas

En el anlisis de puesta a tierra de las GIS, las consideraciones de tensin de contacto presentan varios problemas nicos. A diferencia de las instalaciones convencionales, las caractersticas de los equipos GIS una cubierta envolvente metlica de los interruptores aislados a gas y buses internos de alta tensin. Cada bus est totalmente contenida dentro de su recinto y ellos conectados a tierra. Debido a que se induce un voltaje en la cubierta externa cada vez que un flujo de corriente en la barra de distribucin coaxial, ciertas partes de la caja pueden estar en diferentes potenciales con respecto a la tierra de la subestacin. Evaluar la tensin mxima que ocurre en el recinto del bus durante una falla, es necesario para determinar la inductancia de la cubierta externa a tierra, la inductancia del conductor interno, y las inductancias mutuas para una configuracin de fase determinada de buses individuales.

Una persona que toque la envoltura externa de una GIS puede estar expuesta a tensiones derivadas de dos condiciones de falla bsicas

a)

b)

Una falla interna en el sistema de buses de aislamiento a gas, como una descarga disruptiva entre el bus conductor y la pared interna del cerramiento.

Una falla externa a las GIS en el que una corriente de falla fluye a travs del bus de la GIS e induce corrientes en los recintos.

Porque la persona puede estar parado sobre una rejilla metlica conectada a tierra y el circuito accidental puede implicar un camino de corriente mano a mano y cuerpo a pies, el

anlisis de los sistemas de tierra de las GIS deben tomarse en consideracin la tensin de contacto metal a metal (vase la Figura 14 ). La mayora de los fabricantes de GIS consideran el recinto bien diseado y adecuadamente conectado a tierra si la diferencia de potencial entre recintos individuales, y la diferencia de potencial entre uno de los recintos y otras estructuras de tierra, no exceda de 65-130 V durante una falla. Las ecuaciones de tensin de contacto metal-metal, (34) y (35), revelan que este nivel de tensin corresponde a los tiempos de falla que van desde 0,8 a 3,2 s para un criterio de 50 kg, y de 1,46 a 5,8 s para un criterio de 70 kg.

Esta relacin es, sin embargo, mejor percibida en la grfica de la figura 15, que tambin ayuda a comprender el problema relacionado con los mrgenes de seguridad suficientes.

Las condiciones de falla y los correspondientes circuitos equivalentes para determinar o verificar los parmetros de seguridad crticos de diseo de puesta a tierra de las GIS se detallan en la clusula 10.

Figura 15 Limites de tensin de toque para contacto metal-metal y un rango tpico

de tensiones carcasa a tierra

8.5 Efecto de las Corrientes de Tierra Sostenida Despus de que los lmites de tensin de paso y de contacto seguro se establecieron, el sistema de puesta a tierra puede ser diseado en base a la corriente de falla disponible y del tiempo de despeje total. El diseador debe tambin considerar las magnitudes de fallas de bajo nivel del tipo sostenida (Debajo de los ajustes de rels de proteccin) que pueden estar por encima del umbral de la corriente de abandono. Algunas fallas sostenidas por encima del umbral de la corriente de abandono, pero por debajo del umbral de fibrilacin, pueden causar asfixia por la contraccin prolongada de los msculos del pecho.

Sin embargo, no sera prctico disear contra choques menores que son dolorosos, pero no causan ningn dao permanente.

9. Principales Consideraciones de Diseo 9.1 Definiciones

NOTA-Las siguientes definiciones tambin se enumeran en la clusula 3, pero repite aqu para comodidad del lector.

9.1.1 Electrodo de Tierra Auxiliar:

Un electrodo de tierra con un diseo determinado o limitaciones de funcionamiento. Su principal funcin no puede ser otra que la conduccin de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.

9.1.2 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipacin de la corriente de tierra en la tierra.

9.1.3 Malla de Tierra: Una placa metlica slida o un sistema de conductores desnudos muy prximos entre s que estn conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas

por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de proteccin minimizando el peligro de la exposicin a altas tensiones de paso o contacto en un rea de operacin crtica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra.

9.1.4 Mallado a Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base comn de tierra para los dispositivos elctricos o estructuras metlicas, por lo general en una ubicacin especfica.

NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra tambin son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red tpica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a ms electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia.

9.1.5 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un rea especfica.

9.1.6 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexin de todos los componentes metlicos designados de la Subestacin de Aislamiento a Gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestacin.

9.2 Concepto General

Un sistema de puesta a tierra se debe instalar de una manera que permita limitar el efecto de los gradientes de potencial de tierra a un voltaje y niveles de corrientes tales que no pongan en peligro la seguridad de las personas o equipos en condiciones normales y de fallas. El sistema tambin debe garantizar la continuidad del servicio. En la discusin que sigue, se supone que el sistema de electrodos a tierra tiene la forma de una red de conductores enterrados horizontalmente, completa con una serie de barras verticales de tierra conectada a la red. Sobre la base de dos encuestas, la primera

reportada en una gua de aplicacin de la AIEE en 1954 [B3], y la segunda publicada en 1980 (Dawalibi, Bauchard y Mukhedkar [B45]), este concepto representa la prctica prevaleciente en la mayora de empresas de servicios pblicos tanto en los Estados Unidos como en otros pases. Algunas de las razones para usar el sistema combinado de barras verticales y conductores horizontales son las siguientes:

a) En subestaciones un solo electrodo es, por s solo, insuficiente para proporcionar un sistema de puesta a tierra segura. A su vez, cuando varios electrodos, como las tomas de tierra, estn conectados entre s y con todos los equipos neutrales, marcos y estructuras que van a estar conectados a tierra, el resultado es esencialmente una malla de electrodos de tierra, independientemente del objetivo original. Si los enlaces de conexin pasar a ser enterrado en un suelo con buena conductividad, esta red slo puede representar un excelente sistema de tierra. En parte por esta razn, algunas empresas de servicios dependen del uso de solo una rejilla. Sin embargo, las tomas de tierra son de un valor especial, como se explica en el punto b).

b) Si la magnitud de la corriente que se disipa en la tierra es alto, rara vez es posible instalar una rejilla con una resistencia tan baja como para asegurar que el surgimiento de un potencial de tierra no va a generar gradientes en la superficie no apto para el contacto humano. Entonces, el peligro puede ser eliminado slo por el control de los potenciales locales a travs de toda la zona. Un sistema que combina una red horizontal y una serie de barras de tierra verticales penetrando suelos ms bajos tiene las siguientes ventajas: 1) Cuando los conductores estn horizontales (cuadrcula-malla-grilla) son ms

eficaces para reducir el peligro de tensiones de paso y de contacto altas en la superficie de la tierra, siempre que la red se instale a poca profundidad por lo general entre 0.3-0.5 m (12-18 in) debajo, las barras de tierra lo suficientemente largas tienden a estabilizar el rendimiento de una red combinada. Para muchas instalaciones esto es importante porque la congelacin o el secado de las capas superiores del suelo pueden variar la resistividad del suelo con las estaciones, mientras que la resistividad de las capas inferiores del suelo se mantiene casi constante.

2) Las barras que penetran en el suelo con resistividad ms baja son mucho ms eficaces para disipar las corrientes de falla cada vez que una capa o dos capas del suelo se encuentra y la capa superior del suelo tiene mayor resistividad de las capas inferiores. Para muchas GIS y otras instalaciones con espacio limitado, esta condicin se convierte en la realidad ms deseable que se produce, o que debe alcanzarse por el diseo del medios adecuados (barras de tierra extra largas, los pozos de puesta a tierra, etc.)

3) Si las barras se instalan predominantemente a lo largo del permetro de la red en las condiciones de alta a baja o uniformes resistividad del suelo, las varillas pueden moderar considerablemente el fuerte aumento del gradiente de superficie cerca de las mallas perifrica. Vase la clusula 16 para los detalles de este acuerdo. Estos datos son pertinentes para el uso de mtodos simplificados para determinar el gradiente de tensin en la superficie de la tierra.

9.3 Electrodos de Tierra Primarios y Auxiliares En general, la mayora de los sistemas de puesta a tierra utilizan dos grupos de electrodos a tierra. Los electrodos de Tierra Primarios estn especficamente diseados para la puesta a tierra. Los electrodos auxiliares de tierra son los electrodos que constituyen las diferentes estructuras de metal enterradas instaladas para fines distintos a la tierra. Electrodos tpicos principales incluyen cosas tales como las rejillas de puesta a tierra, conductores de contrapeso, las tomas de tierra, y los pozos de tierra. Electrodos tpicos auxiliares incluyen estructuras subterrneas de metal y barras de refuerzo recubiertas de hormign, si est conectado a la red de conexin a tierra. Los electrodos auxiliares de tierra pueden tener una limitada capacidad de transporte de corriente. 9.4 Aspectos Bsicos de Diseo de la Malla

El Anlisis conceptual de un sistema de red por lo general comienza con la inspeccin del plan de diseo de subestaciones, mostrando todos los equipos pesados y las estructuras. Para establecer las ideas bsicas y los conceptos, los siguientes puntos pueden servir como las directrices para el inicio de un tpico diseo de la rejilla de puesta a tierra:

a)

b)

Un bucle conductor continuo deber rodear el permetro para incluir tanta superficie como sea posible. Esta medida ayuda a evitar la concentracin de alta corrientes y, por tanto, los altos gradientes de potencial tanto en la zona de la malla y cerca de los extremos del cable saliente. Encerrar ms superficie tambin reduce la resistencia de la malla de puesta a tierra.

c)

En el bucle, los conductores suelen ser colocadas en lneas paralelas y, cuando sea posible, a lo largo de las estructuras o filas de los equipos para establecer conexiones a tierra cortas.

d)

Un sistema de cuadrcula tpica de una subestacin puede incluir conductores 4/0 de cobre desnudo enterrados entre 0.3-0.5 m (12-18 pulgadas) por debajo de la superficie, espaciados 3-7 m (10-20 pies) de distancia, en un patrn de cuadrcula. En las conexiones cruzadas, los conductores estaran bien unidos entre s en forma segura. Las tomas de tierra pueden estar en las esquinas de la red y en los puntos de unin a lo largo del permetro. Las tomas de tierra tambin pueden ser instaladas en el equipo pesado, sobre todo cerca de la proteccin contra sobretensiones. En los suelos de varias capas o de alta resistencia, podra ser til utilizar las barras o varillas ya instaladas en los puntos de uniones adicionales. Este sistema de red (malla de tierra) se extender sobre el conjunto de maniobras de la subestacin y, a menudo ms all de la lnea de la cerca. M

e)

ltiples conductores de tierra o conductores de mayor tamao se utilizar donde las altas concentraciones de la corriente puedan ocurrir, como en una conexin neutro-tierra de generadores, bateras de condensadores, o transformadores. La relacin de los lados de las mallas de la red por lo general es de 1:1 a 1:3, a menos que una precisa (asistida por computador), garantice un anlisis ms preciso de valores extremos. Frecuentemente las conexiones transversales tienen un efecto relativamente pequeo en reduccin de la resistencia de una cuadrcula. Su principal funcin es asegurar un control adecuado de la superficie de potenciales. Las conexiones cruzadas son tambin tiles en la obtencin de mltiples caminos para la corriente de falla, reduciendo al mnimo la cada de tensin en la red (malla) en s, y proporcionando un cierto grado de redundancia en el caso de una falla del conductor.

9.5 Diseo en Condiciones Difciles En las zonas donde la resistividad del suelo es alto o el espacio de la subestacin es escaso, puede que no sea posible obtener una baja impedancia a tierra del sistema mediante la difusin de los electrodos de la red en una gran superficie, como se hace en condiciones ms favorables. Esta situacin es tpica de muchas instalaciones industriales y subestaciones GIS, que slo ocupan una fraccin de la superficie terrestre normalmente utilizada para los equipos convencionales. Esta situacin a menudo hace difcil el control de los gradientes de la superficie. Algunas de las soluciones incluyen

a) Conexin (es) de la rejilla de tierra remota (s) e instalaciones adyacentes de tierra, un sistema combinado utilizando instalaciones especiales en edificios, bvedas subterrneas, etc. Un uso predominante de electrodos a tierra a distancia requiere una cuidadosa consideracin de los potenciales transferidos, lugares de sobretensiones por pararrayos, y otros puntos crticos. Una cada de tensin significativa puede establecerse entre las instalaciones de puesta a tierra local y remota, especialmente para los aumentos repentinos de alta frecuencia (rayos).

b) El uso de barras de tierra enterradas profundamente y pozos de tierra perforados. c) Varios aditivos y tratamientos del suelo que se utiliza junto con las tomas de tierra y la

interconexin de los conductores se describen ms detalladamente en el 14,5. d) El uso de colchonetas de alambre. Es factible combinar un material de superficie y

alfombras fabricadas de alambre para igualar el gradiente de campo cerca de la superficie. Una colchoneta de alambre comn podra consistir de alambre de acero revestido de cobre nmero 6 AWG, dispuestos en un patrn de rejilla de 0,6 m 0,6 m (24 24 in), instalada en la superficie de la tierra y debajo de la superficie del material, y unido a la red principal de puesta a tierra en varios lugares.

e) Cuando sea posible, el uso correcto de otros medios disponibles para reducir la resistencia total de un sistema de tierra, como conectar los cables neutrales y estticos de la tierra (ver 15,3). Es tpico el uso de objetos metlicos en el sitio que califican y pueden servir como electrodos de tierra auxiliares, o como los lazos de tierra a otros sistemas. Las consecuencias de dichas solicitudes, por supuesto, tiene que ser evaluado cuidadosamente.

f) Siempre que sea prctico, un depsito cercano de material de baja resistividad y volumen suficiente se puede utilizar para instalar una cuadricula extra (satlite). Esta cuadricula satlite, cuando est suficientemente conectada a la red principal, bajar la resistencia total y, por tanto, el margen de potencial de tierra de la rejilla de puesta a tierra. El material cercano de baja resistividad puede ser un depsito de arcilla o puede ser parte de alguna estructura grande, como la masa de concreto de una represa hidroelctrica (Verma, Merand, y Barbeau [B148]).

9.6 Conexiones a la red Los conductores de ampacidad y resistencia mecnica adecuada (ver clusula 11) se deben utilizar para las conexiones entre

a)

b)

Todos los electrodos de tierra, como rejillas de tierra, barras de cobre, pozos de tierra, y, donde sea aplicable, metal, agua o tuberas de gas, agua y pozos de agua cubiertos, etc. Todas las partes de metal conductoras sobre el suelo que, accidentalmente, podran energizarse, tales como estructuras metlicas, carcasas de mquinas, armazones metlicos convencional o interruptores aislados a gas, tanques de transformadores,

c)

guardias, etc. Adems, las partes conductoras metlicas que pueden estar en un potencial diferente en relacin con otras partes metlicas que se puedan energizar deben ser unidos entre s, normalmente a travs de la red de tierra.

Todas las fuentes de corrientes de falla tales como pararrayos, bancos de capacitores o condensadores de acoplamiento, transformadores y, en su caso, los neutros de las mquinas y del alumbrado y circuitos de potencia.

Los cables de cobre o tiras suelen emplearse para estas conexiones a tierra. Sin embargo, el tanque del transformador se utiliza a veces como parte de una va a tierra para pararrayos. Del mismo modo, la mayora de las estructuras de acero o de aluminio se pueden utilizar para la conexin a tierra si se puede establecer que la conductividad, incluido el de las conexiones, es y puede ser mantenido como equivalente a la de los conductores que normalmente se instala. Cuando se siga esta prctica, todas las capas de pintura que de lo contrario podra introducir una conexin altamente resistente deben eliminarse, y un compuesto para juntas adecuado deber aplicarse, u otros medios eficaces, tales como puentes a travs de las conexiones, se deben tomar para evitar el deterioro posterior de la conexin. En el caso de las instalaciones de GIS, una atencin especial debe prestarse a la posibilidad de circulacin de las corrientes inducidas no deseadas. La clusula 10 cubre el tema con ms detalle.

La igualdad de divisin de las corrientes entre mltiples conductores de tierra, en las conexiones cruzadas o puntos de unin similares no se debe asumir.

Todos los cables de tierra accesibles deben ser inspeccionados peridicamente. La soldaduras exotrmicas, soldadura fuerte, o conectores de tipo presin pueden ser utilizado para las conexiones subterrneas (vase 11,4). Las conexiones soldadas deben evitarse debido a la posibilidad de fallar en virtud de corrientes de falla altas.

Un circuito abierto, incluso en lugares expuestos, puede escapar a la deteccin, y es obvio que no es prctico para inspeccionar partes enterradas de la red de puesta a tierra una vez que est instalado. Una discusin ms detallada de los mtodos de prueba utilizados para determinar la continuidad de los sistemas de puesta a tierra enterrada est incluida en 19.4. Aquellas instalaciones que tienen ms probabilidades de suministro o de una alta corriente, tales como transformadores y tanques de interruptores, los marcos de interruptor, y pastillas de pararrayos, se debe conectar a la red con ms de una toma de tierra. Los cables debern realizarse, preferiblemente en direcciones opuestas para eliminar las fallas de modo comn.

9

9 Una posible excepcin es la conexin a tierra de los secundarios de transformadores de corriente y potencia. El fundamento de estos dispositivos por lo general debe limitarse a un solo punto para evitar cualquier camino paralelo que podran hacer que la circulacin no deseada de las corrientes que afectan el rendimiento

de rels y dispositivos de medicin.

10. Consideraciones especiales para los GIS

10.1 Definiciones

NOTA-Las siguientes definiciones tambin se enumeran en la clusula 3, pero repite aqu para comodidad del lector.

10.1.1 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase estn unidos entre s para proporcionar un camino elctricamente contino de corriente a lo largo del recinto entero. Empalmes, conectando los recintos de otra fase, se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalacin y en algunos puntos intermedios seleccionados. 10.1.2 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas

en la caja metlica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s).

10.1.3 Subestacin de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente d