Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

MEDIDAS EN INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA INDUSTRIALES

MARCOS ANDRADE – IEEE SENIOR MEMBER 1. Resumen Las instalaciones industriales o comerciales extensas contienen un gran conjunto de elementos conductores conectados a tierra, estructuras, cañerías, tanques, etc. Algunos de estos conductores consisten en electrodos artificiales utilizados para la conexión a tierra de diferentes instalaciones. Estos electrodos pueden hallarse interconectados o separados intencionalmente, o vinculados entre sí de formas diversas. La seguridad de instalaciones y personas es fuertemente dependiente del buen diseño y mantenimiento de las instalaciones de puesta a tierra, por lo tanto la realización de medidas periódicas en las mismas es indispensable, fundamentalmente teniendo en cuenta los cambios periódicos que ocurren en la resistividad del terreno y la modificación constante de las instalaciones. La coexistencia de electrodos cercanos en espacios reducidos, dificulta la tarea de medida, por lo que es necesario realizar un detallado registro y preparación de tareas previo a la realización de las medidas, si bien muchas instalaciones anteriores no son totalmente conocidas. Se brinda una selección de los métodos más utilizados para realizar las distintas medidas, los instrumentos utilizados y las formas en que estas se realizan.

2. INDICE Resumen Introducción Medida de resistencia de puesta a tierra Medida de resistencia mutua entre dos electrodos Medida de resistividad del terreno Medida de tensiones de paso y toque Medidas de continuidad de puestas a tierra Análisis de las normas IEEE relativas al tema Conclusiones y recomendaciones Bibliografía

3. INTRODUCCION El diseño de una instalación de puesta a tierra, ya sea nueva o ampliación, comienza por conocer el terreno en donde se realizará la instalación, para lo cual se necesita realizar medidas que nos permitan determinar la resistividad aparente, es decir cuál es el valor de resistividad que presenta el terreno de acuerdo al método utilizado y a la medida particular que se realiza. Un conjunto de medidas de resistividad aparente permitirán modelar el terreno, de una forma más simple o más compleja según el tipo de instalación que se vaya a construir. Usualmente el terreno se modela por capas de diferente resistividad. Si en la zona se encuentran instalaciones existentes, es probable que deba medirse su resistencia de puesta a tierra e incluso medir potenciales de paso y toque, o eventualmente tener la necesidad de seguir los conductores enterrados. Un cabal conocimiento de la totalidad de las instalaciones es necesario para poder realizar un diseño adecuado y seguro. La resistencia de puesta a tierra de una instalación se mide por diversos motivos, principalmente para verificar los valores calculados, ya que estos pueden diferir de los reales por diversos factores M ANDRADE

Página 1

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

como por ejemplo: el método de cálculo utilizado, adecuado modelado del terreno, la presencia en el terreno de instalaciones no contempladas durante la etapa de proyecto, etc. Especialmente las medidas de resistencia son importantes para instalaciones pequeñas. Como tarea de mantenimiento las instalaciones de puesta a tierra forman parte de ese conjunto de elementos de las instalaciones eléctricas que suelen pasar por desapercibidos hasta que en un momento determinado debe soportar el pasaje de corrientes elevadas y responder satisfactoriamente. Al no estar recorrido sus conductores por corriente no se pueden aplicar los métodos térmicos tan usuales en mantenimiento y por lo tanto debe recurrirse a comprobaciones de inspección puntual y a la medida. Dado que la seguridad de las personas depende de las tensiones a que puede ser sometida y del sitio donde se encuentra parada, medidas para comprobar el estado superficial del terreno suelen realizarse de forma periódica. En este sentido la medida de tensiones de toque y paso y la medida de resistencia de pie son importantes. 3.1. SEGURIDAD Tal vez el aspecto más destacado a la hora de realizar medidas en una instalación eléctrica, sea siempre el relacionado con la seguridad de las personas y equipos. La realización de medidas de puesta a tierra suele realizarse en instalaciones energizadas. En estas condiciones y dado que los electrodos auxiliares, necesarios para las medidas, se sitúan fuera del área de las instalaciones y bastante alejados, podrían presentarse potenciales transferidos, si ocurriera una falta durante la ejecución de las medidas. Estas tensiones probablemente se encontrarían fuera de los límites de tensión soportada por una persona y es altamente probable que se trate de potenciales letales para las personas. Al mismo tiempo son capaces de producir daños en los equipos que están siendo utilizados. Por lo tanto es necesario prever adecuadamente las medidas de seguridad a adoptar, las que deben contemplar la forma y el momento de realizar las conexiones a los equipos y los electrodos. También es necesario adoptar por parte de los operarios, medidas de protección personales, como ser utilización de guantes para baja tensión y calzado aislante.

4. MEDIDA DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA Los valores a medir, a frecuencia industrial, en una instalación de puesta a tierra de un electrodo, aunque sea extenso, se modelan como resistencias, sin componentes reactivos. Sin embargo, si se trata de realizar medidas en una instalación de tierra, conectada con otras mediante conductores de guardia, por las pantallas de los cables de potencia, o por conductores largos se medirá un valor de impedancia, ya que habrá un aporte inductivo no despreciable. En estos casos se habla de impedancia de puesta a tierra y lo que se pretende medir es el módulo de ese valor; por lo general se trata de impedancias menores a 1 ohm. 4.1. Método de dos puntos (2P) Se inyecta corriente entre dos electrodos y se mide la tensión de salida de la fuente. Todos los telurímetros tienen la posibilidad de realizar esta medida, normalmente mediante la selección del método, a través de un selector, o bien realizando en un instrumento de tres o cuatro puntos los puentes necesarios (Fig.1). Este método mide la suma de la resistencia de puesta a tierra de los dos electrodos. Es útil si uno de los electrodos presenta una resistencia mucho menor que el otro. En este caso se está midiendo la resistencia de puesta a tierra del electrodo de mayor resistencia. Este método de medida es el que se realiza utilizando pinzas de medida, las que están formadas por dos circuitos, uno de inyección de tensión y otro de medida de corriente. Para que la medida sea posible estos instrumentos trabajan a frecuencias de algunos kHz (Fig.2). La ventaja de estos instrumentos es que no se necesita realizar desconexiones de los puntos a medir. Ejemplos de utilidad del método pueden encontrarse en la medida de resistencia de puesta a tierra de torres de transmisión, puesta a tierra de electrodos para pararrayos, etc. Era muy útil para M ANDRADE

Página 2

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

medidas contra la cañería de agua cuando se trataba de cañerías metálicas. De todos modos es un método útil para determinar órdenes de valores. En la figura 9 se ve que si los electrodos están acoplados, la medida es menor que la suma de las resistencias de los electrodos.

Fig.1 Método de dos puntos

Fig.2 Método de dos puntos, medida con pinza

4.2. Método de tres resistencias Este método, denominado de tres puntos en la norma IEEE 81, consiste en medir tres resistencias de puesta a tierra, de valores relativamente similares, utilizando el método de dos puntos para medir la suma de resistencias de los electrodos de a pares. Una vez realizadas las tres medidas se calculan las resistencias individuales. Si los electrodos no son similares pueden obtenerse resultados absurdos. Puede ser útil en el caso de pequeñas puestas a tierra formadas por varias jabalinas, las medidas pueden realizarse durante la instalación. Teóricamente debería arrojar valores que corresponden a la mitad de cada medida. La utilidad del método se limita a tareas de supervisión de obra. 4.3. Método de caída de tensión (de tres puntos (3P)) Esta definición difiere de la de la norma IEEE 81 que llama método de tres puntos al método anterior. Todos los instrumentos seleccionados en 3P miden según el método que describimos a continuación. La resistencia de puesta a tierra de un electrodo se define como el potencial al que llegan sus conductores (supuestos equipotenciales), cuando drenan una corriente unitaria al terreno, supuesto el potencial del terreno alejado como cero. Se necesita en consecuencia inyectar una corriente entre el electrodo a medir y un electrodo auxiliar de corriente, ubicado de forma que los potenciales que el electrodo auxiliar crea en el terreno, debido a la corriente que circula por él, no afecte los potenciales del electrodo a medir. Para medir la tensión se necesita un electrodo auxiliar de potencial, contra el cual medir y que se encuentre en una zona de potencial cero, para que pueda realizarse la medida en las condiciones de la definición. El instrumento mide un valor directamente en ohm en cualquier posición de los electrodos. Es preciso determinar en consecuencia los electrodos auxiliares de manera correcta para obtener una medida adecuada.

4.4. ELECTRODOS MEDIANOS Se trata de conductores enterrados en mallas para subestaciones de distribución, electrodos horizontales tendidos alrededor de edificios, tendidos horizontales largos etc, que generalmente incluyen más de una jabalina. Técnicamente correspondería a instalaciones cuya resistencia de puesta a tierra es mayor que 0.5 ohm. Se aplica el método de caída de potencial definido en la norma IEEE Std. 81 1983 [2]. Se instalan dos electrodos auxiliares, uno electrodo auxiliar de corriente y otro electrodo auxiliar de tensión. Si “L” es la distancia entre los dos puntos más separados de la malla, el electrodo de corriente se instala por lo menos a seis veces la distancia “L”. Se mide el potencial V a lo largo de la línea recta que une la malla con el electrodo de corriente. Se inyecta una corriente I mayor que dos Ampere y se mide la diferencia de potencial entre el electrodo auxiliar de tensión y la malla. Se M ANDRADE

Página 3

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

continúa midiendo hasta que se produzca un punto de inflexión en la curva (el valor permanece prácticamente constante durante algunos metros); la pendiente de la curva en su punto de inflexión debe ser prácticamente horizontal, de otra forma, si la inclinación es importante significa que el electrodo auxiliar de corriente se encuentra muy cercano al electrodo a medir. El valor de tensión en el punto de inflexión, dividido por la corriente nos da el valor de resistencia de puesta a tierra medido. Debe asegurarse que no interfieren en la medida otros elementos que puedan actuar como electrodos, por ejemplo caños de agua, cables subterráneos, etc. De no alcanzarse un punto donde la medida permanezca razonablemente constante, significa que el electrodo de corriente se ha instalado demasiado cerca del electrodo a medir y deberá aumentarse dicha distancia. Cabe tener en cuenta que de tratarse de terrenos no homogéneos, donde la capa superior es más conductora que la inferior, las separaciones entre electrodos deberán aumentarse. Esta es fundamentalmente la ventaja del método de caída de potencial que asegura que se encuentra el punto adecuado donde se mide el valor correcto. Para mejorar esta situación, con frecuencia deben realizarse medidas de resistividad del terreno en la proximidad de las instalaciones de puesta a tierra extensas y compensar las diferencias a través del cálculo de potenciales. Si la capa superior del terreno es mejor conductora que la inferior, la situación es la inversa, es decir, los electrodos pueden situarse más próximos.

Fig.3 Método de caída de potencial

Fig.4 Conexiones

4.5. METODO DEL 62% Este método, que aparece en muchos manuales de fabricantes de equipos de medida, se basa en calcular el punto donde ubicar el electrodo de medida de tensión cuando se mide por caída de potencial. Para ese cálculo, se asume que el electrodo a medir y el de corriente pueden modelarse por semiesferas sumergidas en el terreno, de forma que la superficie plana de la semiesfera coincida con la superficie del terreno. En ese caso el electrodo a medir debe ubicarse exactamente a 0.618 de la distancia hasta el electrodo de corriente, aproximadamente 62% de esa distancia. Este método sería completamente válido en las hipótesis mencionadas, donde los electrodos provocan potenciales externos similares al de semiesferas. Para corregir la influencia del electrodo de corriente y evitar situarlo muy cerca, se suele realizar un gráfico donde se varía la posición de los electrodos de corriente y tensión, manteniendo siempre la relación 0.62. Se continúa separando el electrodo de corriente hasta que la medida alcance un valor constante. Un método más general, mostrando todas las posiciones del plano donde se cumple la misma relación que en el punto 62% de la línea de los electrodos se indica en la figura 5.

M ANDRADE

Página 4

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

Fig.5_ Esquema mostrando la distribución de los electrodos auxiliares de tensión y corriente y el lugar geométrico de los puntos de medida de tensión que provocan error cero en la medida de R

MONTEVIDEO-URUGUAY

Fig.6_ Tabla con valores de distancias d1 para los cuales el error de medida es cero para un electrodo semiesférico. En columnas distintas se encuentran los valores menores y mayores que L

4.5.1. ELECTRODOS PEQUEÑOS Se considera que un electrodo es pequeño cuando la distancia entre los puntos más separados de la instalación es inferior a 5m en horizontal y hasta 10m en vertical. Se trata de instalaciones de puesta a tierra de una o más jabalinas, o de conductores horizontales, generalmente complementados con jabalinas en disposición T, cruz o una o dos mallas rectangulares. La medida se realiza por el método de tres electrodos, el electrodo a medir y dos electrodos auxiliares (uno para corriente y otro para tensión). Se separan los electrodos auxiliares aproximadamente 20m del electrodo que se mide y también 20m entre ellos. Se situarán preferentemente de modo que si se forma un ángulo que una los tres electrodos, siendo el electrodo a medir el vértice, este ángulo sea próximo a 90º. Esto no impide que puedan situarse los electrodos formando un ángulo de 180º. Sin embargo si se sitúan sobre la misma recta, estando los dos electrodos auxiliares hacia el mismo lado del electrodo a medir, se deberá respetar la separación entre los electrodos auxiliares (Fig.7). La distancia mínima de ubicación de los electrodos es de 6 veces la diagonal de la malla o la distancia máxima equivalente-

Fig.7_ UBICACIÓN DE ELECTRODOS

M ANDRADE

Página 5

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

4.5.2. ELECTRODOS EXTENSOS Mallas de tierra de grandes subestaciones, mallas interconectadas, cuyo valor de resistencia de puesta a tierra es menor que 0.5 ohm. El procedimiento en este caso es específico para la instalación definida y debe determinarse en cada caso. Se seguirá el procedimiento de la norma IEEE 81.2-90. Los aspectos más importantes consisten en medir a 90 grados para eliminar la interferencia entre circuitos de corriente y tensión, ya que la conexión a los electrodos auxiliares exige distancias muy grandes 5.

MEDIDA DE RESISTENCIA MUTUA ENTRE DOS ELECTRODOS

Dos electrodos de puesta a tierra se consideran separados si no se encuentran conectados entre ellos a través de conductores. Sin embargo, puede existir una vinculación entre estos electrodos, si, cuando se inyecta corriente hacia el terreno en uno de ellos, existe sobre el otro, un potencial no nulo. Las medidas de resistencia descritas en el ítem 4 apuntan a la medida de resistencia de electrodos separados. La figura 8 representa un esquema cuando ambos electrodos son atravesados por corrientes distintas. Mientras que la figura 9 muestra el circuito equivalente. El valor Rm es denominado resistencia mutua entre los electrodos. En general se trata, durante el diseño, de ubicar los electrodos suficientemente separados, de modo que la resistencia mutua sea mucho menor que la menor que cada una de las resistencias propias de los electrodo R1 o R2.

Fig.8_ Resistencia semiesferas

mutua

entre

dos Fig.9_ Potencial sobre la superficie del terreno creado por dos semiesferas con resistencia mutua

Para realizar la medida se realiza el circuito de la figura 10.

Fig.10 M ANDRADE

Fig.11 Página 6

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

Fig.12_ Plano de medida de resistividad

6.

MEDIDA DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Las medidas de resistividad de terrenos tienen por objeto el modelado del terreno y es en consecuencia el primer paso del diseño de la instalación de puesta a tierra. El suelo no es homogéneo, aunque en la mayoría de los casos se adopte este modelo para los cálculos, sino que se encuentra constituido por capas diferentes, más o menos horizontales. Es posible modelar el terreno con varias capas horizontales o inclinadas de diferentes resistividades. Dado que la resistividad de estas capas es variable con la humedad, es que se recurre en general a modelos simples, modelado homogéneo o en dos capas horizontales de distinta resistividad. Existen varios métodos para medir localmente la resistividad del terreno en una zona específica, estos consisten en enterrar dos electrodos de pequeñas dimensiones, próximos, muchas veces formando parte de un mismo objeto. La medida consiste en medir la resistencia entre los dos electrodos y el conjunto se encuentra calibrado de acuerdo a su forma para proporcionar el valor de resistividad en función de la resistencia medida. Estos métodos son de poca aplicación ya que, si bien la influencia mayor sobre la resistencia de un electrodo está formada por las capas de terreno más próximas, cuando se trata de instalaciones extensas, influyen sobre el resultado la composición del terreno hasta varias veces la dimensión total de la instalación. La medida de resistividad es útil también cuando la instalación está construida y se intentan realizar medidas. Sucede que puede no ser posible ubicar los electrodos auxiliares para las medidas en las posiciones necesarias. Si se conoce el terreno es posible corregir los resultados.

Fig.13_ Ejemplo de registro de medida de resistencia

M ANDRADE

Página 7

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

6.1. Método de variación de la profundidad Este método utiliza la medida de resistencia de puesta a tierra de un electrodo (jabalina), repetido varias veces a distintas profundidades. En cada medida se incrementa la profundidad a que se ha enterrado la jabalina. El objetivo consiste en que en cada medida se inyecte una mayor cantidad de corriente en las capas profundas del terreno. La resistencia debe medirse de la forma más precisa posible, de modo de poder comparar con los valores calculados. Este método es aplicable solamente a terrenos en los cuales en enterrado directo de la jabalina es posible y debe tenerse en cuenta que la jabalina debe hacer un adecuado contacto con el terreno en toda su extensión.. La expresión empleada para el cálculo de resistencia de la jabalina es:

Un ejemplo típico de aplicación se da para terrenos con una capa superficial de arena. El método de cuatro electrodos por lo general no es aplicable debido a la alta resistencia de los electrodos auxiliares. Es necesario enterrar la jabalina hasta penetrar las capas inferiores para verificar la presencia inferior de capas más conductoras. El método permite además verificar mecánicamente el comportamiento del suelo y determinar el método de hincado de las jabalinas que se realizará para la construcción de las instalaciones. La jabalina de prueba puede constituirse en un conjunto de tramos de jabalinas copperweld acoplables si se prevé que quede como parte de la instalación, aunque en general suele utilizarse varilla de hierro de construcción, el que se va acoplando por soldadura eléctrica. La tabla 1 y la figura 14 muestran los valores de resistencia de jabalina, en función del largo, valores medidos y calculados mediante el modelado. Los valores obtenidos para un modelado de terreno en dos capas muestran una similitud muy importante. Se trata de un terreno con una capa superficial muy resistiva, por tratarse de un terreno de arena y el cambio de resistividad L (m)

Ω) R (Ω medida

Ω) R (Ω calculado

2 3 3.8 4.2 5.4 6 6.6 7 7.8

1620 107 30 25 12.8 10.5 9 8.5 6.6

1411 115 31.5 23.3 13.5 11.3 9.7 8.9 7.6

Resistividad aparente Ω m) (Ω 7012 655 225 205 130 117 109 108 93

10000

1000

100

Resistencia Resistividad aparente

10

1 0

2

4

6

8

10

Fig. 14

Tabla 1 M ANDRADE

Página 8

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

6.1. Método de cuatro puntos Se instalan cuatro pequeños electrodos alineados, se inyecta corriente entre los dos electrodos externos y se mide la tensión entre los dos internos. El instrumento indicará el valor de V/I (Fig.16). 6.1.1. Método de wenner, Los cuatro electrodos están alineados e igualmente separados. Los electrodos consisten en pequeñas jabalinas, enterrados de 20 a 40cm y separados una distancia “a” que se hace variar, dependiendo de la extensión de la instalación de puesta a tierra que se va a instalar, pero generalmente entre 1 y 30m. Si la zona es muy extensa se realizarán medidas en varios puntos. Se obtiene la medida de resistencia como el cociente entre la tensión medida sobre la corriente que se hace circular. La resistividad aparente es una función de la separación “a”, si la distancia de enterrado de las jabalinas de medida “L” es pequeña respecto a la separación entre los electrodos (menor que 10%) , la resistividad aparente se obtiene como 6.1.2. Método de Schlumberger-Palmer Electronos no igualmente separados, tiene la ventaja de que se puede aumentar el valor a medir aumentando la separación entre los electrodos centrales (d).

Fig.15_Valores de resistencias medidas por los Fig.16_Conexionado del equipo para medida métodos de Wenner y Schlumberger para d/c de resistividad por el método de variable Schlumberger

Puede utilizarse también dejando los electrodos centrales (d constante) mientras se separan solamente los electrodos exteriores. 6.2. INFLUENCIAS EXTERNAS SOBRE LA MEDIDA Varias consideraciones deben realizarse en la realización de medidas en el terreno para evitar influencias externas, por ejemplo corrientes parásitas en el terreno, ya sea de corriente alterna o corriente continua, causadas por líneas próximas, que inducen corrientes en el terreno etc. Conductores enterrados en las proximidades de las zonas donde se realizan las medidas pueden influir considerablemente desviando la corriente inyectada durante la realización de las medidas. Cuando la ubicación de conductores enterrados es conocida, se puede minimizar su efecto alejando los electrodos de medida o alineando éstos en forma perpendicular al conductor. La resistencia de puesta a tierra de los electrodos de potencial puede influir, para la mayoría de los instrumentos comerciales un valor máximo de 1000 ohm debe considerarse. La resistencia máxima usual de los electrodos de corriente se estima en 500 ohm según indica la norma IEEE 81. M ANDRADE

Página 9

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

6.2.1. Consideraciones sobre objetos cercanos. Para poder realizar estas medidas es necesaria una zona abierta, libre de interferencias, relativamente plana. Por lo general se toman medidas en dos direcciones perpendiculares, y si la zona es extensa se mide en más de un sitio. De existir electrodos enterrados en las cercanías, la medida con menor error se realiza en la dirección perpendicular a los electrodos enterrados. Si debe medirse en la misma dirección que un electrodo existente, debe considerarse que la separación entre este electrodo y las pequeñas jabalinas a instalar para la medida es máxima para una separación total entre electrodos de medida igual al largo del electrodo. Fundamentalmente los errores principales aparecen cuando se trata de modelar el terreno en capas horizontales, ya que estos errores influyen sustancialmente en el proceso de modelado. Estos errores son menos importantes si se desea obtener una resistividad media para estimaciones generales. [6] [7] La influencia de electrodos enterrados, es en general mayor si se utiliza el método de schlumberger, fundamentalmente cuando se deja la distancia entre los electrodos centrales fija. La medida de resistividad suele realizar en conjunto con medidas de resistencia o de tensiones de toque y paso para corregir las medidas realizadas cuando no se pueden apartar de forma suficiente los electrodos de medida, en tal caso una simulación del terreno es aconsejable. De esta forma se puede ajustar las medidas realizadas utilizando modelos que simulen las situaciones encontradas durante las medidas. El método de enterrado de jabalina es poco sensible a electrodos superficiales enterrados ya que la resistencia mutua entre la jabalina y electrodos horizontales superficiales, es pequeña. 7. MEDIDA DE TENSIONES DE TOQUE Y DE PASO Las medidas de toque y paso son recomendadas por la norma IEEE81 [2] cada vez que el potencial de malla (GPR), calculado, supere un valor a definir, pero entre 2 y 5 kV. En estos casos deben realizarse medidas más completas que aseguren la seguridad de la instalación. Otro aspecto importante consiste en evaluar el estado de la superficie del terreno, ya que normalmente se constituye en un freno al pasaje de la corriente. Los métodos a utilizar, así como los instrumentos deberán ser capaces de detectar pequeños potenciales en un entorno altamente ruidoso debido al sistema de potencia. Dado que se trata de establecer la seguridad de las personas que se encuentren dentro de las instalaciones durante una falta, se estudia a la persona como un elemento más dentro del circuito de tierra de la instalación. Circuito de la persona En estas condiciones, una persona situada en cualquier zona, donde exista una instalación eléctrica, sea ésta de alta o baja tensión, puede estar sometida a un contacto accidental durante una falta a tierra en la instalación, dependiendo de las situación y posición en la que se encuentre. Estas tensiones accidentales pueden aparecer también durante descargas atmosféricas. La norma IEEE80 [1] define tres situaciones posibles para la persona, resultando en tres circuitos accidentales posibles. Tensión de toque, en la cual la persona se encuentra parada sobre el piso de la instalación y tocando un elemento conectado a tierra a través de un conductor de protección. Tensión transferida, es un caso especial de tensión de toque, cuando la persona se encuentra fuera del área de protección de una subestación. Tensión de paso, es aquella tensión que aparece entre los pies de las personas, sin que estén en contacto con ningún otro objeto aterrado. Tensión entre manos es la sobre una persona cuyas manos se encuentran en contacto con dos puntos distintos de la instalación conectados al conductor de protección. Esta situación se da casi exclusivamente en instalación GIS, debida a que en otras instalaciones las diferencias de potencial que aparecen son pequeñas.

M ANDRADE

Página 10

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

En cualquiera de estas situaciones, la persona se encuentra dentro de un gran circuito eléctrico, en contacto con dos puntos del mismo, por ejemplo sus pies y una de sus manos, o sus dos pies. La persona aparece como una carga en ese circuito, constituida por la impedancia de su cuerpo que puede considerarse resistiva y que la norma fija en 1000 Ω, a pesar de que naturalmente varía, no solo para distintas personas, sino para una misma persona. De esta forma puede recurrirse al circuito equivalente de Thevenin, donde la tensión de vacío es la que aparecería si no estuviera la persona, la resistencia vista depende de la instalación de puesta a tierra y fundamentalmente de la capa de terreno superficial, la que estará en contacto con los pies de la persona. Para finalizar el circuito se completará la serie con la resistencia del cuerpo de la persona. Si se considera la mano de una persona, la impedancia vista se considera cero, ya que se trata de una conexión metálica, las superficies metálicas conectadas a la malla se consideran equipotenciales. Para una falta en condiciones mano-mano, solamente se intercala en el circuito la resistencia del cuerpo. Estos circuitos permiten determinar la corriente que circulará por la persona. Si se hace fluir por el cuerpo, la corriente máxima que la persona puede soportar; fundamentalmente dependiente de su peso y del tiempo durante el cual circula; se podrá determinar el valor límite para la tensión de vacío en ese punto. Para ello necesitamos entonces medir la resistencia vista en cualquiera de los casos. Los circuitos para determinar la corriente a circular por la persona se indican en la siguiente figura.

Fig.17_ Situación de toque y de paso

RB _ Resistencia del cuerpo. IB _ Corriente por el cuerpo. Z(RED) _ Impedancia del sistema. Zth _ Impedancia de Thevenin. Rf _ Resistencia del pie. Rg _ Resistencia de malla.

Los circuitos equivalentes de Thevenin quedarán como en la figura 18.

Fig. 18 a

Fig. 18 b

Fig. 18 c

La corriente por el cuerpo de la persona se calcula de acuerdo a (2), La resistencia del pie Rf se calcula a partir de la expresión (3), donde b es el radio del disco equivalente al pie, ρS es la resistividad superficial del terreno y CS es un coeficiente que tiene en cuenta el efecto de la capa de terreno inferior.

M ANDRADE

Página 11

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

Medidas de tensiones de toque y paso La tensión y corriente sobre la persona puede medirse de dos formas diferentes, de acuerdo a lo previsto por la norma IEEE 81.2 [3] Para la simulación del pie de la persona deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: • La superficie media del pie se estima en 200 mm2 y puede ser representado por un disco metálico de 16 cm de diámetro. • El peso de la persona, que debe ser al menos de 20 kg por pie. • Un buen contacto entre el disco y la superficie del terreno, el que se trata de mejorar por diferentes medios, por ejemplo intercalando fibra de acero soldada al disco, o una esponja impregnada en una solución salina. • La capa de piedra partida u otro medio aislante, los que deben estar en sus peores condiciones, por ejemplo empapados en agua.

Las figuras 19 y 20 representan la forma de medir la resistencia vista del pie en los dos circuitos, de paso y de toque. Este método es fundamental para determinar el estado de la capa superior del terreno y si mantiene sus características originales ya que es frecuente que las capas de piedra partida se contaminen con el paso del tiempo.

Fig.19 Medida de tensiones de paso

Fig.20_ Medida de tensiones de toque

Una vez determinada la resistencia del pie en ambas situaciones, o en la que se desee medir, ya sea toque o paso. Debe medirse la tensión de vacío para lo cual es recomendable trazar un contorno de potencial en la zona en estudio. Para esto se inyecta corriente entre la malla y un electrodo auxiliar de corriente suficientemente alejado como para no distorsionar los potenciales locales. Se miden los potenciales colocando un electrodo auxiliar de tensión, consistente en una pequeña jabalina del orden de un centímetro de diámetro y enterrada aproximadamente 30cm en el suelo. El voltímetro debe medir la tensión entre la malla y el electrodo auxiliar de tensión. La medida puede realizarse utilizando una fuente de tensión separada de las fuentes existentes y un voltímetro de alta impedancia de entrada. La corriente a inyectar debe ser lo suficientemente alta como para insensibilizar la medida respecto de tensiones de 50 Hz que aparecerán normalmente en mayor o menor grado. Una vez obtenida a media deberá dividirse por el valor de la corriente inyectada y multiplicar por la corriente de falta prevista (Ig). También puede utilizarse un telurímetro que tiene la ventaja de que aparte de mostrar el ruido límite admisible para la medida, indica directamente la medida en Ω. El telurímetro además de indicar las tensiones existentes entre los puntos a medir, presenta un rechazo de tensiones de 50 M ANDRADE

Página 12

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

y 60 Hz, debido a la normal inclusión de filtros en estos aparatos. Debe considerarse sin embargo que el telurímetro debe tener una escala elevada de medida de ohms, por ejemplo 20 kΩ. Para esto bastan considerar que en una instalación con una capa superficial de 2500 Ωm, la resistencia a medir para condiciones de paso será de 16.6 kΩ. Para medidas de resistencia de pie, el instrumento debe seleccionarse para medida entre dos puntos. Para medida de perfiles de potencial debe situarse para medida de tres puntos o de cuatro puntos según la conexión. En el circuito de la figura 20 se muestra la forma de medir directamente la corriente por el cuerpo utilizando los mismos electrodos que simulan el pie. Este método es más trabajoso debido a que normalmente se deben realizar varias medidas.

Fig. 20 Ubicación de los electrodos para medidas de tensiones de paso y toque considerando la carga de la persona La medida puede realizarse utilizando instrumentos separados e inyectando corrientes al mallado, que deben ser del orden de 100 A, naturalmente dependiendo de la extensión de las instalaciones. También la medida puede realizarse utilizando un telurímetro de tres o cuatro puntos.

8. MEDIDA DE INTEGRIDAD DE LAS INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA Se busca establecer la conexión entre dos instalaciones de puesta a tierra, sea que ésta se previó como parte del proyecto, sea que se trata de un hecho accidental para instalaciones que se pretenden separadas y en cualquier caso determinar la capacidad de la conexión para llevar las corrientes de cortocircuito en caso de un defecto, o de establecer una conexión equipotencial en el caso de que sea esto lo que se busca. El ensayo más común es el ensayo de continuidad, en el cual se aplica corriente continua de entre 50 y 100 A y se mide la resistencia de la conexión. Se necesita realizar una conexión de impedancia suficientemente baja para realizar el ensayo. La medida de resistencia puede realizarse por el método voltamperimétrico, mediante un instrumento que mida tensión en puntos intermedios del circuito, mientras se aplica y mide la corriente. La norma IEEE 81 prevé la realización de la medida de forma que incluya el cable de conexión y luego se mide separadamente la resistencia de este cable con el mismo instrumento y se resta de la medida anterior.

M ANDRADE

Página 13

Medidas en instalaciones de puesta a tierra

URUMAN 2010

MONTEVIDEO-URUGUAY

En casos en que se necesite determinar la ubicación de conductores no visibles, enterrados, o similar, se puede inyectar corrientes mayores y determinar los caminos de corriente mediante una bobina detectora, de forma similar a como se trabaja en el seguimiento de cables de potencia enterrados. 9. CONCLUSIONES Se ha pretendido realizar un resumen de los distintos tipos de medidas que son necesarias para la correcta evaluación de la seguridad de las personas que operan en instalaciones eléctricas en los aspectos referentes a la construcción y mantenimiento de puestas a tierra. Tratase éste de un tema muy extenso, lo que obliga a abarcar algunos aspectos de forma somera. Aun así se espera que el presente trabajo sea útil al momento de realizar las medidas de campo, de preparar los procedimientos de medida, las conexiones de los equipos y la selección de éstos. 10. BIBLIOGRAFIA 11. [1]IEEE Std 80 - 2000 – IEEE Guide for Safety in AC substation Grounding [2]IEEE Std 81 - 1983 - IEEE Guide for [3]IEEE Std 81.2-1991 – IEEE Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding Systems. [4]IEEE Std 142 – 1991 – IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems [5] IEEE Std 1100 – 2005 – IEEE Guide Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment [6] FP Dawalibi, STUDY OF INFLUENCE OF BURIED METALLIC STRUCTUCTURES ON SOIL RESISTIVITY MEASUREMENTS. IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 2, April 1998 [7] Marcos Andrade and Daniel Slomovitz. Discussion to . IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, No. 2, April 1998 Marcos Andrade Ingeniero Electricista 1975 (UDELAR) Docente Universidad de Montevideo 1999-2010, Docente Universidad de la Republica 1971-1994. Especialista en instalaciones de alta tensión y potencia. Autor de más de 40 trabajos en el área de su especialidad. Ha realizado proyectos, instalaciones y mantenimiento de subestaciones y líneas en media y alta tensión, durante 30 años. Ha diseñado equipos de protección y varios desarrollos de innovación tecnológica. Es director de Alfex SA y Artecing SA. Actúa como par evaluador de carreras de ingeniería en el sistema Arcu-Mercosur. Ha sido presidente del capítulo de potencia de IEEE, de la sección IEEE Uruguay y delegado del comité de distribución de Uruguay en CIER.

M ANDRADE

Página 14