siste made tierras

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA

MECNICA Y ELCTRICA

SISTEMA DE TIERRAS APLICADO A UNA

SUBESTACIN ELCTRICA DE POTENCIA 230/23 kV.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

RICARDO HERNNDEZ HERNNDEZ

CARLOS ADN MEDINA MARTNEZ

JUAN JOS RABANAL ALCNTARA

ASESOR: ING. JORGE LEN SNCHEZ BLANCO

MXICO D.F. 2009

AGRADECIMIENTOS


ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

INGENIERA ELCTRICA

AGRADECIMIENTOS

A Dios por llenarme de dicha, bendiciones y por permitirme llegar hasta este momento tan importante de mi carrera y lograr otra meta ms en mi vida.

A mis padres Ana Mara y Arturo porque gracias a su cario, gua y apoyo he llegado a realizar uno de los anhelos ms grandes de mi vida, fruto

del inmenso amor y confianza que en mi depositaron y con los cuales he

logrado terminar mis estudios profesionales que constituyen el legado ms

grande que pudiera recibir y por lo que les vivir eternamente agradecido.

A mi hermano Arturo por su comprensin y confianza, hacindole saber que mis logros son tambin suyos, hago de este un homenaje y quiero compartirlo

por siempre con l.

A mi mama Luz, a mis hermanos, Hctor y Daniel, tos y amigos por el cario y confianza que me brindaron en todo momento, pero sobre todo, por

estar cada uno a su manera, respaldndome para alcanzar mis objetivos.

A mis maestros y compaeros de la gloriosa ESIME Zacatenco que compartieron conmigo sus conocimientos y su gusto por la electricidad.

Especialmente al Ing. Jorge Len Snchez Blanco quien nos brind todo su

apoyo para la realizacin de esta tesis.

Gracias

RICARDO HERNNDEZ HERNNDEZ

AGRADECIMIENTOS



INGENIERA ELCTRICA

AGRADECIMIENTOS

A MIS PADRES Dedico la presente como agradecimiento al apoyo brindado durante estos aos de estudio y como un reconocimiento de gratitud.

A MI PADRE EN ESPECIAL Por el cario y apoyo que siempre me ha brindado, con el cual he logrado culminar mi esfuerzo, terminando as mi carrera profesional, que significa para m la mejor prueba de cario y lo mejor que me pudo haber otorgado.

A MIS FAMILIARES Sabiendo que jams encontrar la forma de agradecer su constante apoyo y confianza, slo espero que comprendan que mis ideales, esfuerzos y logros han sido tambin suyos e inspirados en ustedes.

A NUESTRO ASESOR Ing. Jorge Len Snchez Blanco por apoyarnos para la realizacin de este trabajo, ya que sin su ayuda no habramos podido alcanzar este logro.

A MI ESCUELA ESIME ZACATENCO por brindarme una formacin profesional y prepararme para la vida actual.

GRACIAS

CARLOS A. MEDINA MARTNEZ

AGRADECIMIENTOS



INGENIERA ELCTRICA

AGRADECIMIENTOS A Dios: Por darme salud y el amor de mis padres. A mi Madre: Por estar en cada momento a mi lado, por su apoyo incondicional que es mayor cada

da, pero sobre todo por ser mi madre; a ti gracias, Lic. Josefina Alcntara Mondragn.

A mis Padres: Por guiarme en el camino correcto y darme todo su amor, comprensin y paciencia

para culminar este paso. A mis Amigos y Familiares: Por su ayuda y confianza ya que sin su apoyo no habra podido

alcanzar este paso, en especial a Ricardo, Carlos y al ING. Jorge Len Snchez Blanco; y tambin a mis hermanas Sonia y Claudia.

A mi Escuela: Al glorioso Instituto Politcnico Nacional, en especial a ESIME Zacatenco por las clases

impartidas

Gracias...

Juan J. Rabanal Alcntara

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I. INTRODUCCIN I II. OBJETIVO II

III. JUSTIFICACIN III CAPTULO 1. SISTEMA DE TIERRAS 4

1.1. SISTEMA DE TIERRAS 4

1.1.1. DEFINICIN 1.1.2. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA 1.1.3. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA 5

1.1.3.1. SISTEMA DE TIERRA PARA PROTECCIN 6 1.1.3.2. SISTEMA DE TIERRA PARA FUNCIONAMIENTO 1.1.3.3. SISTEMA DE TIERRA PARA TRABAJO 7

1.1.4. FACTORES BSICOS A CONSIDERAR PARA EL DISEO DE UN SISTEMA DE TIERRAS

1.2. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE TIERRAS 8

1.2.1. ELECTRODOS 1.2.1.1. COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS DE TIERRA 13 1.2.1.2. CONFIGURACIN DE LOS ELECTRODOS 14

1.2.2. CONDUCTORES 15 1.2.2.1. MATERIAL 1.2.2.2. CALIBRE DEL CONDUCTOR 16

1.2.3. CONECTORES 19 1.2.3.1. CONECTORES A PRESIN 20

1.2.3.1.1. CORROSIN GALVNICA EN LAS CONEXIONES 21 1.2.3.2. CONECTORES SOLDABLES 22 1.2.3.3. BARRAS EQUIPOTENCIALES (EQUIPO DE CONEXIN

AUXILIAR) 24

1.3. CONFIGURACIONES BSICAS DE LAS REDES DE TIERRA 25

1.3.1. SISTEMA RADIAL 1.3.2. SISTEMA EN ANILLO 1.3.3. SISTEMA DE RED O MALLA 26

1.4. CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA DE TIERRAS 27

1.4.1. MTODO DE TRINCHERA 1.4.2. MTODO DEL CONDUCTOR ARADO 28 1.4.3. REGISTROS 1.4.4. INSTALACIN DE CONEXIONES, CONDUCTORES

DE PUESTA A TIERRA Y VARILLAS DE TIERRA 29

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1.5. ESTUDIO DEL TERRENO 30

1.5.1. RESISTIVIDAD DEL TERRENO 1.5.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD

DEL TERRENO 31 1.5.3. RESISTENCIA DE LA MALLA DE TIERRAS 33 1.5.4. MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO 34 1.5.5. MTODOS PARA LA MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD

DEL TERRENO 35 1.5.5.1. MTODO WENNER 1.5.5.2. MTODO SCHLUMBERGER-PALMER 37 1.5.5.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIN DE

RESISTIVIDAD EN CAMPO 38 1.5.6. MTODOS DE MEDICIN DE LA RESISTENCIA

DEL SISTEMA DE TIERRAS 40 1.5.6.1. MTODO DE CADA DE POTENCIAL (62 %) 1.5.6.2. MTODO DIRECTO (DOS PUNTOS) 41 1.5.6.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIN DE

RESISTENCIA EN CAMPO 42 1.5.7. APARATOS PARA LA MEDICIN 43 1.5.8. MTODOS DE REDUCCIN DE VALORES DE RESISTENCIA

DE LA RED DE TIERRAS Y RESISTIVIDAD DEL TERRENO 44 1.5.8.1. REDUCCIN DE LA RESISTENCIA DE LA RED

DE TIERRA 1.5.8.2. REDUCCIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO 45 1.5.8.3. PRECAUCIONES A CONSIDERAR EN LA APLICACIN

DE COMPUESTOS QUMICOS 47 1.5.9. USO DE LA CAPA DE MATERIAL SUPERFICIAL 48

1.6. CORRIENTES TOLERABLES POR EL CUERPO HUMANO 49

1.6.1. RAPIDEZ DE LIBRAMIENTO DE LA FALLA 51 1.6.2. RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO 52 1.6.3. TENSIONES PELIGROSAS 53

1.6.3.1. TENSIN DE PASO 54 1.6.3.2. TENSIN DE CONTACTO 55 1.6.3.3. TENSIN DE CONTACTO DE METAL A METAL 57 1.6.3.4. TENSIN DE TRANSFERENCIA 1.6.3.5. TENSIN DE MALLA MXIMA 58 1.6.3.6. TENSIN DE PASO MXIMA 59

1.7. MANTENIMIENTO AL SISTEMA DE TIERRAS 60

1.7.1. TIPOS DE MANTENIMIENTO 1.7.2. MANTENIMIENTO DEL SISTEMA DE TIERRA

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CAPTULO 2. DISEO DE UN SISTEMA DE TIERRAS 63

2.1. FACTORES Y PARMETROS 63

2.1.1. FACTOR DE DECREMENTO 2.1.2. FACTOR DE CRECIMIENTO 2.1.3. FACTOR Km 64 2.1.4. PARMETRO n 2.1.5. FACTOR Kii 65 2.1.6. FACTOR Kh 2.1.7. PARMETRO d 2.1.8. FACTOR Ki 2.1.9. FACTOR Ks 66

2.2. CLCULO DE UN SISTEMA DE TIERRAS PARA UNA

SUBESTACIN DE POTENCIA. 66

2.3. DESCRIPCIN DE PARMETROS PARA EL DISEO 81 CAPTULO 3. NORMATIVIDAD DEL SISTEMA DE TIERRAS 83

3.1. DISEO 83

3.1.1. CARACTERSTICAS DEL TERRENO 3.1.1.1. RESISTIVIDAD

3.1.2. ELEMENTOS DE LA RED DE TIERRAS 3.1.2.1. CONDUCTORES 3.1.2.2. ELECTRODOS 3.1.2.3. CONECTORES 84

3.2. CONSTRUCCIN DEL SISTEMA DE TIERRAS 84

3.2.1. CONSTRUCCIN DE LA MALLA DE TIERRAS 3.2.1.1. PROFUNDIDAD Y SEPARACIN DE LOS

ELEMENTOS PRINCIPALES DE LA MALLA DE TIERRAS 3.2.1.2. CONEXIN DE LOS ELEMENTOS 85 3.2.1.3. TRINCHERAS

3.2.2. EQUIPOS QUE SE CONECTAN A LA RED DE TIERRAS 3.2.2.1. TRANSFORMADORES 86 3.2.2.2. INTERRUPTORES Y CUCHILLAS 3.2.2.3. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TCs) Y DE

POTENCIAL (TPs) 3.2.2.4. APARTARRAYOS 3.2.2.5. BANCOS DE TIERRA 87

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3.2.2.6. BANCOS DE CAPACITORES 3.2.2.7. TABLEROS

3.2.3. ELEMENTOS QUE SE CONECTAN A LA RED DE TIERRAS 3.2.3.1. CABLES MENSAJEROS Y RETENIDAS 88 3.2.3.2. PARTES NO CONDUCTORAS DE CORRIENTE

ELCTRICA 3.2.3.3. CERCAS METLICAS DE PROTECCIN

3.3. MEDICIONES DEL SISTEMA DE TIERRAS 88

3.3.1. RESISTIVIDAD 3.3.2. RESISTENCIA 89

3.4. PROTECCIN AMBIENTAL 89

3.5. SEGURIDAD E HIGIENE 89 CAPITULO 4. PUNTOS DE CONEXIN A LA RED DE TIERRAS 90

4.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIA 91

4.1.1. TANQUE DEL TRANSFORMADOR 4.1.2. NEUTRO DEL TRANSFORMADOR 4.1.3. GABINETE DE CONTROL DEL TRANSFORMADOR

4.2. INTERRUPTORES 92

4.2.1. INTERRUPTORES DE POLOS SEPARADOS 4.2.2. INTERRUPTORES CON UN SOLO CUERPO 4.2.3. GABINETE DE CONTROL DEL INTERRUPTOR 4.2.4. GABINETE AUXILIAR DEL INTERRUPTOR

4.3. CUCHILLAS 93

4.3.1. CUCHILLAS DE POLOS SEPARADOS 4.3.2. CUCHILLAS UNIDAS POR LA ESTRUCTURA 4.3.3. GABINETE DE CONTROL DE CUCHILLAS Y/O ACTUADORES

4.4. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE (TCs) 94

4.4.1. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 85, 230 Y 400 kV MONTADOS EN BASES TIPO PEDESTAL

4.4.2. TRANSFORMADORES DE CORRIENTE DE 23 kV MONTADOS EN ESTRUCTURAS 95

4.5. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TPs) 95

4.5.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 85, 230 Y 400 kV MONTADOS EN BASES TIPO PEDESTAL

NDICE



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4.5.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL DE 23 kV MONTADOS EN ESTRUCTURAS 96

4.6. APARTARRAYOS 96

4.6.1. APARTARRAYOS DE 85, 230 Y 400 kV 4.6.2. APARTARRAYOS DE 23 kV

4.7. BANCOS DE CAPACITORES DE 23 kV 97

4.8. BANCOS DE TIERRA DE 85 kV 97

4.8.1. TANQUE DEL TRANSFORMADOR 4.8.2. NEUTRO DEL TRANSFORMADOR

4.9. TABLEROS 98

4.10. TRAMPA DE ONDA 98

4.11. AISLADOR SOPORTE EN BASE DE CONCRETO 99

4.12. AISLADOR SOPORTE EN BASE METLICA 99

4.13. ESTRUCTURA DE REMATE Y/O DE PASO CON PUNTAS, APARTARRAYOS O HILO DE GUARDA 99

4.14. ESTRUCTURA PARA SOPORTAR MUFAS DE 23 kV 100

4.15. POSTES 100

4.16. CONSIDERACIONES GENERALES 100

4.17. CONSIDERACIONES ESPECIALES PARA LA PUESTA A TIERRA EN SUBESTACIONES AISLADAS EN GAS (SF6) 102

4.17.1. PUESTA A TIERRA DE LAS ENVOLVENTES 103 4.17.2. ASPECTOS ESPECIALES EN LA PUESTA A TIERRA 104

CAPTULO 5. SEGURIDAD DEL PERSONAL Y EQUIPOS ELCTRICOS 107

5.1. SEGURIDAD DEL PERSONAL 107

5.1.1. EQUIPOS DE PROTECCIN 108 5.1.1.1. GUANTES DE PROTECCIN 5.1.1.2. CALZADO DE SEGURIDAD 109 5.1.1.3. CASCO DE PROTECCIN 110

5.2. PREVENCIN DE DAO AL EQUIPO 111

5.3. OPERACIN SATISFACTORIA DE LOS EQUIPOS DE PROTECCIN 111

5.4. IDENTIFICACIN DE LAS SEALES DE SEGURIDAD 112

NDICE



INGENIERA ELCTRICA

5.4.1. DEFINICIONES 5.4.2. COLORES DE SEGURIDAD 5.4.3. FORMAS GEOMTRICAS 113

5.5. PROCEDIMIENTO DE SEGURIDAD PARA TRABAJOS Y

MANIOBRAS EN INSTALACIONES DE MEDIA Y ALTA TENSIN 114

5.5.1. GENERALIDADES 5.5.2. EJECUCIN DE TRABAJOS SIN TENSIN

5.5.2.1. EN LOS PUNTOS DE ALIMENTACIN 5.5.2.2. EN EL LUGAR DE TRABAJO 115 5.5.2.3. REPOSICIN DEL SERVICIO

5.6. REGLAS DE ORO DE SEGURIDAD, PARA TRABAJOS

EN INSTALACIONES ELCTRICAS 115

5.7. RECOMENDACIONES GENERALES DE SEGURIDAD ELCTRICA 116 CONCLUSIN 117 ANEXOS 118

NDICE DE FIGURAS NDICE DE TABLAS 119 DEFINICIONES 120 PLANO DE PROYECTO

BIBLIOGRAFA 122

INTRODUCCIN



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I

INTRODUCCIN Al disear y realizar la construccin de Instalaciones Elctricas, una de las preocupaciones de los ingenieros de diseo y de campo es la realizacin de un buen sistema de tierras basado en la normatividad vigente tanto nacional como internacional. Que pueda prevenir riesgos, causados por fallas en el sistema elctrico o por causas naturales, algunas de estas son descritas a continuacin:

Corto circuito entre un conductor energizado y cualquier otra parte metlica. (Minimizando el riesgo de electrocucin).

Descargas atmosfricas inducidas, ya que estas deben ser descargadas a tierra. (Previniendo sobretensiones que puedan ser peligrosas en el equipo y en las carcasas de los mismos).

Este problema existe en todos los campos de la Ingeniera Elctrica, desde las bajas corrientes a tierra de los equipos electrnicos de estado slido, hasta las altas corrientes a tierra de las grandes subestaciones en alta tensin. Anteriormente se analizaba solamente el peligro producido por tensiones peligrosas directas de lnea a tierra, transitorias por descargas atmosfricas o por cada de lneas, y no se consideraban los efectos secundarios que producan las sobretensiones peligrosas y no se contemplaba el efecto producido por corrientes de falla al circular por el terreno, que era lo que produca los accidentes o la muerte del personal operativo. Este criterio cost muchas vidas humanas. En la actualidad uno de los aspectos principales para la proteccin contra sobretensiones es la de disponer de una red de tierra adecuada, a la cual se conectan los neutros de los equipos, apartarrayos, cables de guarda, estructuras metlicas, tanques y todas aquellas partes metlicas que deben estar a potencial de tierra.

OBJETIVO



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II

OBJETIVO Enfatizar la importancia que tiene un sistema de tierras dentro de un sistema elctrico. El cual tiene, como funcin principal garantizar la proteccin de las personas, equipos e instalaciones elctricas, cuando se presentan potenciales peligrosos causados por fallas de fase a tierra o descargas atmosfricas. As como la elaboracin de su diseo.

JUSTIFICACIN



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III

JUSTIFICACIN Este trabajo tiene como finalidad, explicar los objetivos, clculos y tipos de sistema de tierras que se disean e instalan en la actualidad, para lograr una adecuada y excelente proteccin de los circuitos y equipos elctricos, as como del personal empleado en la industria. El sistema de tierras es parte fundamental del diseo de cualquier instalacin elctrica como pueden ser: centrales generadoras, subestaciones elctricas, lneas de transmisin, etc. Y muchas veces, no se le da la seriedad necesaria. Otro aspecto importante es conocer los diferentes elementos que conforman el sistema de tierras, y mostrar la correcta puesta a tierra de los equipos o elementos que deben estar a un potencial de tierra. As como los factores que pueden afectar o beneficiar, a que la red de tierras nos proporcione un medio de baja impedancia para el drenado de las fallas y como consecuencia poder permanecer con seguridad dentro de instalaciones elctricas. El anlisis se realizar basndose en las normas existentes de sistemas de tierras para obtener informacin, la cual se apegue a las caractersticas actuales.

CAPTULO 1

SISTEMA DE TIERRAS

CAPTULO 1. SISTEMA DE TIERRAS



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4


1.1. SISTEMA DE TIERRAS

1.1.1. DEFINICIN Un sistema de tierras es el conjunto de elementos interconectados que tiene como objetivo evitar diferencias de potencial peligrosas en una instalacin elctrica y que al mismo tiempo, permita el paso de las corrientes de falla o de las descargas atmosfricas a tierra, logrando con esto, proporcionar seguridad al personal, equipos e instalaciones elctricas, asegurando una buena calidad de la energa. Bajo el nombre genrico de sistema de tierra se conoce tanto a la conexin a tierra del sistema de distribucin, como a la conexin o puesta a tierra del equipo elctrico y no elctrico.

1.1.2. IMPORTANCIA DE LOS SISTEMAS DE TIERRA Una gran parte de los accidentes personales en la industria y en cualquier otra parte donde se tenga un sistema elctrico, debidos a causas elctricas, estn relacionados con el contacto directo con partes metlicas. Se ha encontrado que la causa de estos accidentes, ha sido la falta de un sistema de tierra o sistemas de tierra adecuados. Estadsticamente el 10% de los incendios originados en las Instalaciones Elctricas se deben a fallas en los sistemas de tierras. Por sta razn, se deduce que desde el diseo de cualquier instalacin elctrica para plantas industriales, hospitales, oficinas edificios pblicos, etc. se le debe dar gran importancia y atencin al sistema de tierras. El disponer de una red de tierra adecuada es uno de los aspectos principales para la proteccin contra sobretensiones en las subestaciones. A sta red se conectan los neutros de los equipos elctricos, pararrayos, cables de guarda y todas aquellas partes metlicas que deben estar a potencial de tierra. Las necesidades de contar con una red de tierra en las subestaciones es la de cumplir con las siguientes funciones:

a) Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulacin de las corrientes de tierra, ya sea que se deban a una falla de cortocircuito o a la operacin de un pararrayos.

b) Evitar que, durante la circulacin de stas corrientes de falla, puedan

producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestacin (ya sea sobre el piso o con respecto a partes metlicas puestas a tierra),




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5

significando un peligro para el personal, considerando que las tensiones tolerables por el cuerpo humano deben ser mayores que las tensiones resultantes en la malla.

c) Facilitar la operacin de los dispositivos de proteccin adecuados, para la eliminacin de las fallas a tierra en los sistemas elctricos.

d) Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio elctrico.

e) Evitar la aparicin de potencial en el neutro en un sistema en estrella aterrizado.

f) Proveer una conexin a tierra para el punto neutro de los equipos que as lo requieran (transformadores, reactores, etc.).

g) Proporcionar un medio de descarga en los equipos, ya que estos almacenan energa por induccin magntica o capacitancia, antes de proceder a tareas de mantenimiento.

La conduccin de altas corrientes a tierra en instalaciones elctricas, debidas a descargas atmosfricas o a fallas del equipo, obliga a tomar precauciones para que los gradientes elctricos o las tensiones resultantes no ofrezcan peligro a los operadores. Intensidades del orden de miles de amperes, producen gradientes de potencial elevados en la vecindad del punto o puntos de contacto a tierra y si, adems, se da la circunstancia de que algn ser viviente se apoye en dos puntos, entre los cuales existe una diferencia de potencial debida al gradiente arriba indicado, puede sufrir una descarga de tal magnitud que sobrepase el limite de su contractilidad muscular y provoque su cada. En tal situacin, la corriente que circula por su cuerpo aumenta y si por desgracia sta pasa por algn rgano vital como el corazn, puede originar fibrilacin ventricular y sobrevenir la muerte.

1.1.3. CLASIFICACIN DE LOS SISTEMAS DE TIERRA

Sistema de tierra en Baja Tensin. El reglamento de instalaciones elctricas exige a los usuarios de la energa elctrica su propia conexin a tierra y dice: En un sistema secundario de suministro puesto a tierra, cada servicio individual debe tener una conexin a un electrodo de tierra. Esta conexin debe hacerse como parte de la instalacin del usuario, en el lado del abastecimiento del medio de desconexin principal y no en el lado de la carga.




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Los sistemas de tierra en baja tensin, aparentemente son los ms simples, ya que no se disean en base a potenciales de paso o de contacto, sin embargo, es un hecho que la mayor parte de los accidentes por este concepto ocurren en el hogar, en tinas de hidromasaje, equipos de bao, lavadoras, secadoras, etc.

Sistema de tierra en Media y Alta Tensin. Es comn que en subestaciones de potencia se piensa que con tener una resistencia de tierra baja es suficiente para proteger los equipos y al personal, sin embargo, existen factores que son determinantes en el diseo de un sistema de tierras ya que se pueden presentar potenciales peligrosos al momento de una falla de corto circuito o descargas atmosfricas, algunos de estos factores son; la resistividad del terreno, la corriente de falla de corto circuito, tamao del local de la subestacin, duracin de la falla, geometra de la malla, etc. El diseo se debe basar en la proteccin del personal y los equipos, disipando las corrientes de falla a tierra sin elevar el potencial que se presenta ms all del permisible. Es decir poner especial inters en los criterios de las tensiones de paso y contacto.

1.1.3.1. SISTEMA DE TIERRA PARA PROTECCIN Tiene como objetivo conectar elctricamente a tierra todos los elementos metlicos que forman parte de la instalacin elctrica, que no se encuentran sujetos a tensin normalmente, pero que pueden tener diferencias de potencial a causa de fallas accidentales, estos pueden ser: tableros elctricos, tanque de interruptor y transformador, carcasas de las mquinas elctricas, estructura metlica de las subestaciones o lneas de transmisin y en general todos los equipos elctricos.

1.1.3.2. SISTEMA DE TIERRA PARA FUNCIONAMIENTO Se refiere a que una parte del sistema elctrico, requiere una conexin a tierra con el fin de mejorar el funcionamiento en: sistemas de distribucin, neutros de los transformadores, generadores, bases de apartarrayos, etc. Es necesario hacer dos divisiones del sistema elctrico, una de ellas concerniente al sistema de alimentacin y/o de distribucin de energa y la segunda al sistema de tierras de maquinaria y equipo elctrico. La primera divisin repercute en el servicio normal de distribucin, as como de su equipo.




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Proporcionando valores mximos a tierra, la distribucin secundaria o de baja tensin, se realiza con transformadores de distribucin monofsicos 2 3 hilos y trifsicos 4 hilos. La distribucin primaria o de mediana tensin, se realiza en conexin estrella aterrizada en la subestacin. Si a partir de esta se lleva 3 conductores de fases, se tiene un sistema 3 fases-3 hilos. Si a partir de la subestacin se llevan 3 conductores de fase y el neutro, se tiene un sistema de 3 fases-4 hilos, denominado tambin sistema multiaterrizado. La subtransmisin y transmisin se realiza en conexin estrella aterrizada en la subestacin, tenindose un sistema de 3 fases-3 hilos. Se puede decir que es un aspecto de diseo en el que intervienen factores tales como tipo de carga, proteccin del transformador, economa de la instalacin, etc. La segunda divisin, relativa al sistema de tierras de equipo elctrico tiene por el contrario un fin de proteccin "en falla" a diferencia de la anterior que opera constantemente para dar la tensin que requieren los elementos del sistema de alimentacin y/o distribucin de la energa. Este sistema proporciona proteccin nicamente al ocurrir una falla tal como de fase a tierra, de otra manera, no tiene intervencin alguna en la instalacin. Tan necesaria es una divisin como la otra, una para fijar tensiones de operacin de equipo, como lmparas que operan a 220 V conectndose entre fases o a 127 V conectndose entre una fase y el neutro. La segunda divisin proporciona una trayectoria predeterminada de baja impedancia a corrientes de falla que conduzcan rpida y eficazmente la falla a los dispositivos operadores de proteccin y coloquen el equipo metlico a potencial de tierra, evitando riesgos de descargas al personal que opera las mquinas y del que circula cerca de ellas.

1.1.3.3. SISTEMA DE TIERRA PARA TRABAJO Con frecuencia durante las actividades de trabajo como son mantenimiento, reparaciones, etc. Es necesario realizar conexiones slidamente aterrizadas con el fin de que sean accesibles y sin peligro para los trabajos a realizar.

1.1.4. FACTORES BSICOS A CONSIDERAR PARA EL DISEO DE UN SISTEMA DE TIERRAS

Algunos de los factores que tienen un papel importante en el diseo del sistema de tierra son los siguientes:




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LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Esta cantidad se expresa en ohm-m y representa la resistencia de 1 m3 de tierra, medida entre superficies opuestas.

TAMAO O EXTENSIN DEL SISTEMA DE TIERRAS Este es un factor importante, ya que si el sistema es muy pequeo para manejar grandes corrientes de falla, pueden existir gradientes de potencial sobre la superficie, haciendo riesgoso esto para el contacto. En forma ideal el concepto de un buen sistema de puesta a tierra, ha sido el de obtener una resistencia a tierra tan baja como sea posible. Sin embargo, en sistemas donde las corrientes de falla son excesivamente altas, puede ser imposible, mantener potenciales a tierra dentro de los lmites de seguridad, aunque la resistencia de tierra se mantenga baja.

1.2. ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN SISTEMA DE TIERRAS Los elementos principales de un sistema de tierras son los siguientes:

Electrodos

Conductores

Conectores

1.2.1. ELECTRODOS Son elementos metlicos conductores, los cuales se clavan en el terreno y sirven para encontrar zonas hmedas y por lo tanto con menor resistividad elctrica en el subsuelo. Con el fin de mantener un potencial de tierra en todos los conductores que estn conectados a ellos y de esta forma disipar en el terreno todas las corrientes de falla. Son especialmente importantes en terrenos sin vegetacin y por lo tanto secos. Pueden ser fabricados de acero, acero galvanizado, acero inoxidable, cobre, aluminio, o una combinacin de stos (copperweld). La seleccin del material depender de las caractersticas del terreno. Para instalaciones elctricas la NOM-001-SEDE-2005 en su artculo 250-84 establece que la resistencia de una varilla o electrodo de tierra no debe exceder de 25 . Esto se toma como un lmite superior. Los electrodos de tierra se pueden encontrar en diferentes tamaos, formas, y con diferentes caractersticas.




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A continuacin se describen los tipos de electrodos ms comunes:

a) Varilla Copperweld Esta varilla es una de las ms usadas, ya que es de bajo costo. Este tipo de electrodo es fabricado de acero cubierta de cobre (copperweld), el cual combina las ventajas del cobre con la alta resistencia mecnica del acero, su longitud es de 3.05 metros y los dimetros nominales ms comerciales son: 5/8 y 3/4" o bien 14.3 mm2 y 19 mm2. Esta varilla se debe enterrar en forma vertical y a una profundidad de por lo menos 2.4 metros, excepto si se encuentra roca, en cuyo caso el electrodo de puesta a tierra se debe clavar a un ngulo oblicuo que no forme ms de 45 con la vertical o se acepta que la varilla vaya enterrada en forma horizontal, siempre y cuando sea en una zanja de mnimo 800 mm de profundidad. (Segn Art. 250-83(c)(3) de la NOM-001-SEDE-2005). (Ver figura 1.1). La varilla copperweld no tiene mucha rea de contacto, pero s una longitud considerable, con la cual es posible un contacto con capas de tierra hmedas, lo cual se obtiene un valor de resistencia bajo.

Figura 1.1. Detalle de instalacin de electrodo de tierra tipo varilla Copperweld

Estas varillas combinan las ventajas del cobre con la alta resistencia mecnica del fierro; poseen una buena conductividad elctrica, excelente resistencia a la corrosin y buena resistencia mecnica para ser clavadas en el terreno.

b) Placa

Debido a que este electrodo tiene una gran rea de contacto es recomendado en terrenos que tengan alta resistividad. Segn el artculo 250-83(d) de la NOM 001-SEDE-2005 debe tener un rea de por lo menos 0.2 m y un espesor mnimo de 6.4 mm y un mnimo de 1.52 mm en materiales no ferrosos. (Ver figura 1.2).




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Figura 1.2. Electrodo de tierra tipo placa

c) Anillo de tierra

Este consiste en un anillo de tierra que rodee el edificio o estructura, en contacto directo con la tierra y a una profundidad bajo la superficie no inferior a 800 mm que conste como mnimo en 6 m de conductor de cobre desnudo de tamao nominal no inferior a 33,6 mm2 (2 AWG). (Art. 250-81(d) de la NOM-001-SEDE-2005). (Ver figura 1.3).

Figura 1.3. Anillo de tierra




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d) Malla La malla se hace armando una red de conductores de cobre desnudos, esta malla se puede mejorar con algunos electrodos. Esta malla es muy utilizada en las subestaciones elctricas, ya que reduce el riesgo de descargas. (Ver figura 1.4).

Figura 1.4. Electrodo de tierra tipo malla. OBSERVACIN: A continuacin se describen los electrodos no especificados por la NOM-001-SEDE-2005, pero existentes en el mercado.

a) Rehilete

Este electrodo se forma de dos placas de cobre cruzadas, las cuales van soldadas y estas a la vez a un conductor (cable de cobre) mediante soldadura exotrmica. Este tipo de electrodo es bueno para terrenos donde es difcil excavar, ya que tiene mucha rea de contacto. (Ver figura 1.5).

Figura 1.5. Electrodo de tierra tipo rehilete.




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b) Electrodos qumicos

Los electrodos qumicos son aquellos electrodos a los que se les adiciona algn compuesto qumico para aumentar la conductividad y de esta forma disminuir el valor de resistencia. (Ver figura 1.6).

Figura 1.6. Electrodos de tierra de tipo qumico.

Disminuye la resistencia elctrica de contacto a tierra por medio de su contenido qumico, facilitando el paso de la corriente elctrica, propia de la descarga atmosfrica o bien de corto circuito, aumentando as su volumen de disipacin y reduciendo el tiempo de respuesta. Acta 10000 veces ms rpido que el contacto metal-tierra, disipando la energa elctrica de corto circuito o del rayo, estabilizando la tensin de su instalacin elctrica, permitiendo operar a tiempo los sistemas de proteccin. Los contenidos qumicos ms usuales para estos electrodos son:

a) Carbn mineral (Coke).- Ha venido a sustituir al carbn vegetal por tener mejores cualidades aunque requiere una cierta medida de la humedad.




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b) Grafito rgido.- Al tratarse de un electrodo constituido enteramente por grafito, no se encuentra afectado intensamente por la corrosin a diferencia de lo que ocurre con los metales.

En cuanto a los valores de resistencia a tierra en suelos de diferentes resistividades, su comportamiento es muy similar o incluso mejor al de las placas estrella, y mucho mejor al de las varillas convencionales.

c) Sulfatos.- Son obsoletos debido a sus cualidades corrosivas sobre los metales en particular del cobre.

d) Sales.- Tambin, al igual que los sulfatos ya no se usan, adems de ser

corrosivas se diluyen fcilmente en el agua. La ventaja de este tipo de electrodos es que se puede obtener resultados favorables de inmediato, pero requieren ser vigilados o monitoreados cada semestre para garantizar que se encuentren en buenas condiciones para el logro de su efectividad, por lo tanto se les tiene que dar mantenimiento con mayor frecuencia. NOTA: De acuerdo a pruebas que se han realizado por el Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales (LAPEM) de Comisin Federal de Electricidad, durante 2 aos sobre el comportamiento de los diferentes tipos de electrodos de tierra prefabricados y electrodos de tierra con rellenos qumicos (instalados en campo), efectuando mediciones cada semana, muestra resultados interesantes para la seleccin del electrodo de tierra ms eficiente. Con base en los resultados se reporta que el mejor comportamiento corresponde a la varilla copperweld, siendo la ms utilizada gracias a su gran eficiencia y bajo costo de material e instalacin, en algunos casos para mejorar el comportamiento de esta puede combinarse con contra-antena, por el contrario los electrodos mas deficientes fueron los prefabricados de grafito (electrodos qumicos).

1.2.1.1. COMPORTAMIENTO DE LOS ELECTRODOS DE TIERRA

Los efectos ms importantes a considerar en los electrodos son:

Efecto del aumento de la seccin transversal de un electrodo Normalmente se gana poco en reduccin de resistencia a tierra aumentando la seccin transversal de los electrodos por sobre lo necesario de acuerdo a los requisitos mecnicos y por corrosin.




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Efecto de profundidad de enterramiento Este efecto proporciona slo una reduccin marginal en la impedancia, pero a un costo relativamente alto, de modo que normalmente no se considera. Debe recordarse sin embargo, que mientras mayor sea la profundidad de enterramiento, menores son los gradientes de potencial en la superficie del terreno.

Efecto de proximidad de electrodos Si dos electrodos de tierra se instalan juntos, entonces sus zonas de influencia se traslapan y no se logra el mximo beneficio posible. En realidad, si dos barras o electrodos horizontales estn muy prximos, la impedancia a tierra combinada de ambos puede ser virtualmente la misma que de uno solo, lo cual significa que el segundo es redundante. El espaciamiento, la ubicacin y las caractersticas del terreno son los factores dominantes en esto.

1.2.1.2. CONFIGURACIN DE LOS ELECTRODOS Cuando se conectan en paralelo varias varillas de tierra, el valor de resistencia a tierra que presenta el conjunto es menor que el valor de resistencia a tierra que presenta una sola varilla. Estos valores son mostrados en la tabla 1.1. Si se conecta a una varilla existente otra varilla en paralelo, el valor de resistencia a tierra de las dos no es la mitad del valor que tenga una de ellas, a menos que se encuentren separadas una distancia igual a varias veces la longitud de una varilla. El artculo 250-84 de la NOM 001-SEDE-2005 especifica que la distancia mnima de separacin entre electrodos debe ser de 1.80 m entre s; sin embargo indica que aumenta su eficiencia si se separa ms la distancia.

ELECTRODOS MLTIPLES

VALORES ESPERADOS ARREGLO

Dos electrodos en paralelo reducen el 55% de la resistencia de uno

Tres electrodos en delta reducen al 38%

Tres electrodos en lnea recta reducen al 35%

Cuatro electrodos en cuadro reducen al 28%




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VALORES ESPERADOS ARREGLO

Ocho electrodos en cuadro reducen a 17%

Ocho electrodos en circulo reducen al 16%

Nueve electrodos en cuadro solido reducen al 16%

Doce electrodos en cuadro reducen al 12%

Tabla 1.1. Tipos de arreglos y porcentajes de reduccin de la resistencia del electrodo.

Como se observa, se obtienen mejores resultados al instalar tres electrodos en lnea que en tringulo y adems se utiliza menos conductor en su interconexin, se recomienda solamente el arreglo de tringulo cuando no se tiene el espacio suficiente (6 m de longitud).

1.2.2. CONDUCTORES Sirven para formar el sistema de tierra y para conexin a tierra de los equipos. Los conductores empleados en los sistemas de tierra son generalmente cable concntrico formado por varios hilos. El conductor que formar la malla de tierras debe seleccionarse de la siguiente manera.

1.2.2.1. MATERIAL Los materiales empleados en su fabricacin son: cobre, cobre estaado, copperweld, acero, acero inoxidable, acero galvanizado o aluminio, en s, cualquier elemento metlico, sin embargo, la mayora de los metales comunes se corroen fcilmente, por lo que el cobre ha destacado en este aspecto ya que es muy resistente a la corrosin, sin embargo existen zonas cercanas a canales de aguas residuales en que el cobre es atacado por cidos empleados en el tratamientos de aguas, en estos sitios se podra estudiar el caso y cambiar el material del sistema de tierra. (Ver tabla 1.2).




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Descripcin Conductividad

del material (%)

r factor

a 20 C

k (1/0)

a 0C

Temperatura de fusin

(0 C)

r a 20 C

(/cm3)

TCAP Valor

efectivo

3

Alambre de cobre suave estndar

100.0 0.00393 234 1083 1.7241 3.422

Alambre de cobre duro comercial

97.0 0.00381 242 1084 1.7774 3.422

Cobre estaado con alma de acero

40.0 0.00378 245 1084/1300 4.397 3.846

Cobre con alma de acero

30.0 0.00378 245 1084/1300 5.862 3.846

Alambre de aluminio comercial

61.0 0.00403 228 657 2.862 2.556

Aluminio aleacin 5005

53.5 0.00353 263 660 3.2226 2.598

Aluminio aleacin 6201

52.5 0.00347 268 660 3.2840 2.598

Alambre de aluminio estaado con alma de acero

20.3 0.00360 258 660/1300 8.4805 2.670

Alambre de acero cubierto con zinc

8.5 0.00320 293 419/1300 20.1 3.931

Acero inoxidable 2.4 0.00130 749 1400 72.0 4.032

Tabla 1.2. Tabla de constantes del material

1.2.2.2. CALIBRE DEL CONDUCTOR Este se debe seleccionar tomando en cuenta el esfuerzo mecnico y trmico a que esta expuesto. El esfuerzo trmico se puede calcular con la frmula de Sverak. Para conductores en escala de mm2

I = AT TCAP 104

tcrr ln

K0 + TmK0 + Ta

Ecuacin 1.1. Donde:

I es la corriente de falla simtrica eficaz (kA); I = If = 3IO AT es el rea de la Seccin transversal del conductor (mm

2) Tm es la mxima temperatura permisible del material (C) Ta es la temperatura ambiente (C)




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Tr es la temperatura de referencia para las constantes del material (C) 0 es el coeficiente de resistividad trmica a 0 C (1/C) r coeficiente de resistividad trmica a la Tr (1/C) r es la resistividad del conductor a tierra referido a la Tr (-cm

3)

K0 es 1

0 o

1

r Tr en C

Tc es el tiempo del flujo de corriente en (s)

TCAP es la capacidad trmica en Joules J

cm 3

Si el calibre del conductor est en circular mils (CM)

I = 5.07 103Akcmil TCAP

tcrr ln

K0 + TmK0 + Ta

Ecuacin 1.2. Si se quiere conocer la seccin o calibre requerido en funcin de la corriente de corto circuito se tiene:

AT = A mm 2 =I

TCAP 104

tcrr ln

K0 + TmK0 + Ta

Ecuacin 1.3.

Akcmil = I197.4

TCAPtcrr

ln K0 + TmK0 + Ta

Ecuacin 1.4. Simplificacin de frmulas Para calcular el calibre de conductor podemos hacer uso de la frmula simplificada y la tabla 1.3 de constantes de materiales. Para obtener el rea en mm2 se emplea la siguiente frmula:

Amm 2 =I Kf tc1.97352

Ecuacin 1.5.

Para obtener el rea en kcmil se emplea la siguiente frmula:

Akcmil = I Kf tc




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Ecuacin 1.6. Donde: I es la corriente rms de falla en kA. tc es el tiempo de duracin de la corriente de falla en segundos. Kf es una constante para diversos materiales dada en la tabla 1.3 para diferentes valores de Tm (temperatura de fusin o limite de temperatura del conductor) y usando una temperatura ambiente de 40 C (Ta).

Material Conductividad (%) Tm ( C) Kf

Cobre suave recocido 100 1083 7..00

Cobre duro comercial 97 1084 7.06

Cobre duro comercial 97 250 11.78

Cable de acero recubierto de cobre 40 1084 10.45

Cable de acero recubierto de cobre 30 1084 12.06

Varilla de acero recubierta de cobre 20 1084 14.64

Aluminio grado EC 61 657 12.12

Aluminio aleacin 5005 53.5 652 12.41

Aluminio aleacin 6201 52.5 654 12.47

Cable de acero recubierto de aluminio 20.3 657 17.20

Acero 1020 10.8 1510 15.95

Varilla de acero recubierta de acero inoxidable 9.8 1400 14.72

Varilla de acero recubierta de Zinc 8.6 419 28.96

Acero inoxidable 304 2.4 1400 30.05

Tabla 1.3. Constantes de materiales para frmula simplificada.

En la prctica los requerimientos de confiabilidad mecnica determinarn el calibre mnimo del conductor. Las primeras guas de la AIEE e IEEE recomiendan un calibre mnimo de 1/0 y 2/0 AWG para conductor de cobre con juntas soldadas y atornilladas respectivamente. Un reciente estudio realizado a nivel internacional ha mostrado que cerca del 66% de las utilizaciones cuestionadas usan conductor de calibre 4/0 AWG para la construccin de la red y aproximadamente el 16% restante prefiere usar conductores tan grandes como 500 kCM. Aunque en muchos casos el calibre del conductor est sobrado, se ha justificado su instalacin para darle mayor resistencia mecnica y evitar su afectacin por efectos electromecnicos o de corrosin. (Ver figura 1.7). Por otro lado cerca del 25% de las utilizaciones reportan el uso de conductores de cobre tan pequeos como 1/0 AWG sin presentar problemas mecnicos.




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Figura 1.7. Tipo de conductores

1.2.3. CONECTORES Son los elementos que nos sirven para unir los conductores del sistema de tierra, para conectar los electrodos a los conductores y para la conexin de los equipos a travs de conductores al sistema de tierra. Los conectores utilizados en los sistemas de tierra son principalmente de dos tipos:

1. Conectores a presin

a) Conectores atornillados b) Conectores de compresin

2. Conectores soldables o exotrmicos

Estos conectores debern seleccionarse con el mismo criterio con el que se seleccionan los conductores a dems debern de tener las siguientes propiedades:

Capacidad de conduccin de corriente suficiente para soportar las severas condiciones de magnitud y duracin de la corriente de falla.

Resistencia a la corrosin que retarde su deterioro en el ambiente en el que se instale.

Conductividad elctrica que reduzca efectivamente las diferencias de tensin locales de la red de tierra.

Rigidez mecnica robusta para resistir los esfuerzos electromecnicos que puedan provocar daos fsicos a la red.

Capacidad trmica que permita mantener una temperatura por debajo del conductor y as reducir el efecto del calentamiento.

Todos los tipos de conectores deben poder soportar la corriente de la red de tierra en forma continua.




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1.2.3.1. CONECTORES A PRESIN Los conectores a presin son todos aquellos que mediante presin mantienen en contacto a los conductores. En este tipo estn comprendidos los conectores atornillados o mecnicos y los de compresin.

a) CONECTORES ATORNILLADOS Estn formados generalmente por dos piezas, las cuales se unen por medio de tornillos. El material del conector es de bronce con alto contenido de cobre y el de los tornillos es de bronce al silicio que les da alta resistencia mecnica y a la corrosin.

Su limitacin mxima de temperatura es de 250 C. (Ver figura 1.8).

Figura 1.8. Conectores atornillados

b) CONECTORES DE COMPRESIN Los conectores de compresin se fabrican en una sola pieza y mediante herramientas especiales se colocan para la unin de conductores. Los conectores a presin debern disearse para una temperatura mxima de 250 a 350 C. Los conectores de compresin dan mayor garanta de buen contacto y son ampliamente utilizados para interconectar la red de tierra, as como para la puesta a tierra de las estructuras metlicas y en general de las partes metlicas expuestas de los equipos elctricos de la subestacin. Los conectores a presin son ms econmicos, seguros y fciles de instalar por lo que se usan con mucha frecuencia. (Ver figura 1.9).




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Figura 1.9. Conectores a presin

1.2.3.1.1. CORROSIN GALVNICA EN LAS CONEXIONES

Esto ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales elctricos diferentes lo cual favorece la aparicin de un metal como nodo y otro como ctodo. La corriente galvnica se incrementa o disminuye de acuerdo a la salinidad del fluido (electrolito). (Ver figura 1.10). El nodo es aquel electrodo del cual fluye la corriente positiva en forma de iones hacia el electrolito. Aqu ocurre la "oxidacin" la que implica la prdida de metal. El Ctodo es aquel electrodo del cual fluye corriente negativa hacia el electrolito. Aqu ocurre la "reduccin", la corriente llega desde el electrolito y el metal se protege. Electrolito es el medio en que el nodo y ctodo estn inmersos y que tiene capacidad para conducir corriente. Los electrolitos ms habituales son agua dulce, agua de mar y la tierra. Una forma de evitar la corrosin galvnica que se presenta entre la unin de diferentes materiales es mediante el uso de conexiones con alto contenido del material a unir (si deseamos unir conductores de cobre se utilizan conectores de bronce (aleacin de cobre con estao) con alto contenido de cobre).




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Figura 1.10. Corrosin galvnica entre una varilla de cobre y un conector de bronce. NOTA: Otra forma de evitar la corrosin galvnica que se presenta entre la unin de diferentes materiales es aplicar un compuesto sellador y retardador de la corrosin galvnica, esta compuesto por una base sinttica con partculas de cobre, que asegura alta conductividad y no permite la formacin de xidos. Es utilizado para la unin de cobre a cobre y en todas las aplicaciones de tierras, a este compuesto se le conoce como Penetrox E. Actualmente este compuesto es utilizado en subestaciones elctricas de Luz y Fuerza del Centro.

1.2.3.2. CONECTORES SOLDABLES Los conectores soldables son aquellos que mediante una reaccin qumica exotrmica los conductores y el conector se soldan en una conexin molecular. Este tipo de conector, por su naturaleza soporta como mnimo la misma temperatura de fusin del conductor. Son muy empleados debido al ahorro de tiempo y costo que se obtiene al realizar muchas conexiones. Proporcionan una conexin permanente y eliminan la resistencia de contacto. Estn libres de corrosin y permiten el uso de conductores de menor calibre, debido a su mxima limitacin de temperatura (450C). No se usan en presencia de atmsferas voltiles o explosivas. La forma y dimensiones de los conductores determinan la forma y el tamao del molde. (Ver figura 1.11). Muchos ensayos efectuados sobre diferentes conexiones soldables, han permitido constatar las siguientes propiedades:

La conductividad es al menos igual que la de los propios conductores.

Como la seccin de la soldadura es siempre mayor que la seccin de los conductores, las sobrecargas y fuertes intensidades no tienen efecto sobre la conexin. Y por otra parte se ha demostrado que los conductores se funden antes que la soldadura.




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La fractura de la conexin no puede producirse ya que no existen esfuerzos mecnicos. De ello se deduce una duracin mucho mayor.

Figura 1.11. Paquete de conexin exotrmica

Para fabricar una conexin exotrmica no es necesaria una fuente de energa externa. Al encender una chispa sobre el polvo ignitor, se inicia una reaccin qumica, donde el xido de cobre es reducido por el metal aluminio produciendo cobre fundido a unos 1400 C y escoria de aluminio. Este cobre fluye sobre los conductores soldndolos en la forma del molde de grafito, obteniendo una unin metlica slida en unos 20 segundos. Es importante notar que una buena unin depende del ajuste del molde a los conductores. (Ver figura 1.12).

Figura 1.12. Ejemplo de conexiones exotrmicas NOTA: Se recomienda que para la interconexin de los conductores de la red de tierra, se utilicen conectores de compresin y para enlazar los conductores a las varillas de tierra, se empleen conectores soldables o exotrmicos.




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1.2.3.3. BARRAS EQUIPOTENCIALES (EQUIPO DE CONEXIN AUXILIAR)

En las lneas de tierra debern existir los suficientes puntos de puesta a tierra, para ello hacemos uso de las barras equipotenciales, mediante estas barras es posible interconectar todas las puestas a tierra, esto permite un fcil acceso a las diferentes puestas a tierra, lo que facilita los mantenimientos y las mediciones de resistencia y equipotencialidad. (Ver figura 1.13). Una barra es una pletina de cobre pretaladrada, con dimensiones y separacin de pernos y huecos. Debe ser dimensionado de acuerdo con los requisitos inmediatos de aplicacin y teniendo en consideracin futuros crecimientos, sus dimensiones mnimas son de 5 mm de espesor por 50 mm de ancho y longitud variable. Es preferible pero no imprescindible que sea recubierto con nquel, s no lo es, debe limpiarse antes de unir los conectores. Deben utilizarse conectores certificados de compresin de dos huecos o soldadura exotrmica y debe ser aislada de su soporte, se recomienda una separacin de 50 cm. La barra de unin y distribucin de tierras da la funcin de distribuir hilos de tierra ya sea directa a los equipos a proteger o bien mediante la utilizacin de acopladores secundarios. Resulta ser un elemento de gran utilidad en diversas aplicaciones ya sea como punto de distribucin de hilos de tierra.

Figura 1.13. Barras equipotenciales




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1.3. CONFIGURACIONES BSICAS DE LAS REDES DE TIERRA Una red de proteccin de tierra es usada para establecer un potencial uniforme en y alrededor de la estructura, est unida slidamente a los electrodos de tierra. Para las redes de tierra se tienen bsicamente tres disposiciones, que son las siguientes:

Sistema radial

Sistema en anillo

Sistema de red o malla

1.3.1. SISTEMA RADIAL Este sistema consiste en uno o varios electrodos de tierra, a los cuales se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. (Ver figura 1.14). Esta disposicin es la ms econmica, pero la menos confiable, ya que al producirse una falla en un sistema o en el equipo, se generan grandes gradientes de potencial.

Figura 1.14. Sistema radial

1.3.2. SISTEMA EN ANILLO Este sistema se obtiene colocando en forma de anillo un conductor de cobre de suficiente calibre alrededor de la superficie ocupada por el equipo de la subestacin elctrica y conectando derivaciones a cada uno de los equipos, mediante un conductor de un calibre menor.




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Es un sistema econmico y eficiente, en el se eliminan las grandes distancias de descarga a tierra del sistema radial. Por su configuracin, el sistema en anillo no limita potenciales, nicamente puede proporcionar, valores bajos de resistencia a tierra. (Ver figura 1.15). Este arreglo se emplea cuando la corriente de retorno de la falla a tierra circula nicamente por conductores, como es el caso de las subestaciones tipo pedestal cuya alimentacin lleva un neutro corrido.

Figura 1.15. Sistema de anillo

1.3.3. SISTEMA DE RED O MALLA El sistema de malla es el ms usado actualmente en las subestaciones elctricas. Consiste, como su nombre lo indica, en un arreglo de conductores perpendiculares formando una malla o retcula, a la cual se conectan las derivaciones de cada uno de los equipos. En el permetro de la malla, generalmente se colocan varillas o electrodos de tierra. Cuando las corrientes de falla circulan por el terreno natural se generan potenciales que la red de tierras debe limitar para que no resulten peligrosos para el personal. El sistema de malla limita estos potenciales en el rea de la subestacin y adems proporciona valores bajos de resistencia a tierra para el sistema elctrico. Este sistema es el ms eficiente, pero tambin el ms caro de los tres tipos. (Ver figura 1.16).




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Figura 1.16. Sistema de red o malla

1.4. CONSTRUCCIN DE UN SISTEMA DE TIERRAS El mtodo para construccin o la combinacin de mtodos, depender de un cierto nmero de factores tales como: tamao de la malla, tipo de suelo, calibre del conductor, profundidad de excavacin, disponibilidad del equipo, costo del trabajo o restricciones de seguridad debidas a estructuras cercanas existentes o equipo energizado. Existen dos mtodos comnmente empleados para instalar la red de tierra. Estos son: mtodo de trinchera y el mtodo de conductor arado (plowing). Ambos mtodos emplean mquinas. En donde no se emplean estas mquinas debido a falta de espacio, la red de tierras ser instalada por excavacin manual.

1.4.1. MTODO DE TRINCHERA Se colocan distintivos en el permetro a lo largo de sus lados para identificar el espaciamiento entre conductores paralelos. Estos marcadores tambin sirven como una gua para la mquina con la cual se har la trinchera. Se excavan las trincheras utilizando una mquina, generalmente a lo largo del lado que tiene el mayor nmero de conductores paralelos. Estas trincheras son excavadas a una profundidad especfica (por lo general alrededor de 0.5m). Se instalan los conductores en estas zanjas y las varillas de tierra son enterradas y conectadas a los conductores. Las mechas (conductores de puesta a tierra de los equipos) se pueden conectar a estos conductores en este momento. Estas zanjas inciales se cubren con tierra de relleno hasta arriba de la ubicacin de las conexiones transversales.




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El siguiente paso es excavar zanjas para conductores transversales (a menudo a una profundidad menor), una vez ms, utilizando marcadores como gua. Se debe tener cuidado al excavar estas zanjas para evitar daar el conductor colocado en las zanjas transversales. Los conductores se instalan en las zanjas y las varillas de tierra restantes son enterradas y conectadas a los conductores. Las mechas restantes tambin son conectadas a estos conductores. Se realizan conexiones tipo cruz entre los conductores perpendiculares. Y por ltimo las zanjas se cubren completamente con tierra de relleno. Un mtodo alternativo consiste en confinar el trabajo a una pequea seccin del total del rea y completar esta seccin totalmente antes de pasar a una nueva rea. En este caso, las trincheras se cavan todas a la misma profundidad antes de colocar cualquier conductor. El mtodo de instalacin de conductores y varillas de tierra son los mismos que se describen en los prrafos anteriores.

1.4.2. MTODO DEL CONDUCTOR ARADO Otro procedimiento para la instalacin de los conductores de la red de tierra, que puede ser econmico y rpido cuando las condiciones son favorables y el equipo adecuado est disponible, es el arado de conductores. Se utiliza un arado estrecho especial, que podr ser colocado e impulsado por un tractor o camin, si hay suficiente margen de maniobra. El arado tambin puede ser desplazado por un cabrestante colocado en el borde del terreno. El conductor se puede colocar sobre el terreno frente al arado, o un carrete de conductor puede ser montado en el tractor o camin que tire frente al arado. El conductor se introducir a lo largo del terreno en el fondo del corte de la hoja del arado. Otro mtodo consiste en anexar a la parte inferior de la hoja de arado el conductor y colocarlo conforme avanza. En este caso, se debe tener cuidado de que el conductor no quede arriba del suelo blando. Los conductores cruzados se aran a una profundidad menor para evitar daos a los conductores previamente colocados. Los puntos de cruce o puntos en los que las varillas de tierra se van a instalar, estn al descubierto y se realizan las conexiones. Con el equipo adecuado, y la ausencia de roca grandes, este mtodo es adecuado para todos los calibres de conductor y para las profundidades que normalmente se utilizan.

1.4.3. REGISTROS Los registros tambin forman parte de la construccin del sistema de tierras y son muy importantes puesto que en el caso de las subestaciones, la norma especifica en el articulo 921-25(b) que deben hacerse mediciones peridicas para comprobar que los valores del sistema de tierras se ajustan a los valores de diseo. Por ello, se recomienda dejar registros en los electrodos. (Figura 1.17)




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Figura 1.17. Registros para medicin

Como alternativa de los registros de fbrica, se pueden construir registros empleando un tubo de albaal, con la boca hacia arriba para que sirva de tope a una tapa de cemento.

1.4.4. INSTALACIN DE CONEXIONES, CONDUCTORES DE PUESTA A TIERRA Y VARILLAS DE TIERRA.

Una vez que se coloquen los conductores en sus zanjas, se hacen las conexiones necesarias. Generalmente los puntos de cruce requieren una conexin tipo cruz, mientras que las conexiones en T se utilizan para conectar un conductor recto situado a lo largo del permetro. Los tipos de conexiones son muy variados y dependen de la unin, del material que se une y de la utilidad en cuestin. Las mechas se dejan en lugares apropiados para las conexiones de puesta a tierra de estructuras o equipos. Estos conductores pueden ser del mismo calibre que el del conductor de la malla subterrnea o ser de un calibre diferente segn el nmero de tierras por equipo, la magnitud de la corriente de falla a tierra y las practicas de diseo de la instalacin. Estas mechas quedan accesibles despus de hacer el relleno, para hacer conexiones de alto grado. La instalacin de las varillas de tierra generalmente es realizada por medio de un martillo hidrulico, martillo de aire, u otros dispositivos mecnicos. La unin de dos varillas de tierra se hace por cualquiera de los mtodos, ya sea, utilizando el mtodo exotrmico o un mtodo de acople roscado o acople sin rosca.




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1.5. ESTUDIO DEL TERRENO Para conocer que tan buen conductor de la electricidad es el terreno, es necesario conocer su resistividad o resistencia especfica, las rocas, la arena y suelos secos tienen alta resistividad, es decir, presentan mayor oposicin al paso de la electricidad, caso contrario, los terrenos con alto contenido de humedad tienen baja resistividad. Por lo tanto, es necesario conocer la resistividad del terreno para poder efectuar un diseo adecuado del sistema de tierra.

1.5.1. RESISTIVIDAD DEL TERRENO La resistividad tambin conocida como resistencia especfica, es la propiedad que tiene el terreno para conducir electricidad, la cual est determinada por el tipo de terreno, el contenido de humedad del mismo, su composicin qumica y la temperatura entre otros factores. La resistividad se mide en -m. Existen dos formas para determinarla, una es emprica mediante tablas y conocimiento del terreno y la otra efectuando la medicin directamente en el terreno. Es muy importante la localizacin del terreno donde se construir una subestacin y depende del tipo de subestacin y costos del terreno. Se debe hacer una investigacin del lugar preseleccionado, observndose la composicin general del suelo y determinar la caracterstica del terreno desde el punto de vista de la ingeniera civil y elctrica. Para determinar las caractersticas del suelo, normalmente se obtienen muestras hasta una profundidad razonable que pueda permitir juzgar la homogeneidad y condiciones de humedad o nivel de aguas freticas. La clase del terreno es de vital importancia para un buen sistema de tierras. Existen un gran nmero de tablas que muestran los rangos de resistividad de varios tipos de suelos y piedra. Una clasificacin general se muestra en la tabla 1.4. Basada en la norma IEEE Std. 80/2000.




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CLASE DEL TERRENO RESISTIVIDAD

(ohm m) EJEMPLOS

Terreno pantanoso o hmedo 50

Tierra de labor, Tierra arcillosa 100

Tierra arenosa hmeda 200

Tierra arenosa seca 1000

Tierra guijarrosa o con cemento 1000

Suelo rocoso 3000

Roca compacta 10000

Tabla 1.4. Resistividad del terreno

1.5.2. FACTORES QUE DETERMINAN LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

La resistividad es dependiente de varios parmetros como son: clase de suelo, humedad, temperatura, y porcentaje de concentracin de sales en el terreno, etc.

a) Clase de suelo El suelo se comporta como un conductor y su resistencia va a depender del tipo de suelo que se tenga ya sea arena, roca, tepetate, arcilla, etc.

b) Humedad del terreno Cuanto mayor sea la humedad del terreno, la resistencia elctrica del terreno disminuye. Para un buen sistema de tierras, se elegir un terreno suficientemente hmedo. La resistividad de los suelos se eleva abruptamente, cuando el contenido de humedad cae por debajo de 22% por peso. Esto se puede constatar en la curva 2 de la figura 1.18. Por lo tanto, siempre que sea posible, el sistema de electrodos deber enterrarse a una profundidad tal que permita un contacto seguro con la tierra permanentemente hmeda. Las cubiertas con grava o piedra triturada, usualmente de ocho a diez centmetros de espesor, son tiles para retardar la evaporacin de la humedad y por lo tanto limitan el reconocimiento de la capa superior durante periodos prolongados de sequa; as como tambin, sirve para reducir la magnitud de las corrientes de choque.




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c) Salinidad del terreno

Al aumentar la salinidad del terreno, la resistencia elctrica del terreno disminuye considerablemente. Esto se puede observar en la curva 1 de la figura 1.18. Para un buen sistema de tierras, conviene tratar el terreno con sal comn ya que ayuda a conservar la humedad del terreno, aunque ltimamente debido a problemas de corrosin se utilizan compuestos qumicos con las mismas propiedades de las sales pero sin su poder corrosivo. Tambin, para disminuir la resistividad del subsuelo, se le disuelven sustancias de alta conductividad en solucin acuosa como son: Sulfato de cobre, cloruro de calcio, sulfato de magnesio, cloruro de sodio, azufre, rocas de sal combinadas con agua.

d) Temperatura del terreno La temperatura del terreno es un factor importante, pues si la temperatura de un determinado tipo de suelo es de un valor elevado, a pesar de que se trate de una zona en donde el suelo absorba fcilmente la humedad, debido a la temperatura tan elevada del terreno la poca humedad retenida en el suelo se perder, haciendo que el suelo adquiera un valor de resistividad muy alto. El agua a temperaturas extremadamente bajas es mala conductora y la resistividad de un terreno tambin est en funcin del contenido de humedad, por lo que en zonas fras la resistividad puede ser grande. Las temperaturas de 0 C o menores, congelan el agua contenida en el terreno aumentando su resistencia elctrica. En la curva 3 de la figura 1.18 se ilustra la variacin caracterstica de la temperatura para un suelo determinado. La temperatura ideal es no menor de 10 C pero como no es prctico calentar el terreno, surge la necesidad de enterrar los electrodos hasta una profundidad que alcance capas menos fras de la tierra y por ello, fuera de la zona de congelacin del agua. Cuanta ms alta sea la temperatura del terreno, menor ser su resistencia elctrica.




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Figura 1.18. El efecto de la humedad, temperatura y sal, sobre la resistividad del suelo.

1.5.3. RESISTENCIA DE LA MALLA DE TIERRAS Este valor es tal vez el ms importante de un diseo de una red de tierras, ya que, en una falla el potencial que se presenta est en funcin de la corriente de corto circuito y de la resistencia. La resistencia de la subestacin depende en primera instancia del rea que va a ser ocupada por el sistema de tierra, la cual es conocida desde el comienzo del diseo. La NRF-011-CFE-2005 indica que la estimacin de la resistencia de tierra preliminar, debe efectuarse tomando en consideracin los valores siguientes:

Para subestaciones de potencia en Alta Tensin a nivel de transmisin y subtransmisin, el valor de la resistencia de la malla de tierra debe ser alrededor de 1 o menor.

Para subestaciones de potencia de Media Tensin el valor de la resistencia debe ser entre 1 a 4 .

Para subestaciones de distribucin de Media Tensin el valor de la resistencia de tierra debe ser como mximo de 5 .

Cuando se disea la red se puede calcular la resistencia esperada mediante algunas frmulas, una frmula sencilla es la que considera una placa circular a cero profundidad, para esto es necesario medir la resistividad en forma previa.




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Rt =

4

A

Ecuacin 1.7. Donde: Rt es la resistencia a tierra de la subestacin en

es la resistividad del terreno en -m A es el rea que ocupa la red de tierra en m2 En una segunda aproximacin se puede recurrir a la frmula Laurent y Niemann, donde se considera la longitud de los conductores de la malla (conductores horizontales) combinada con los electrodos de tierra.

Rt =

4

A+

L

Ecuacin 1.8. Donde: L es la longitud de los conductores enterrados en m Para una mayor exactitud, se adiciona la profundidad de la red de tierra, por lo tanto:

Rg =

1

LT+

1

20 A

1 +1

1 + h 20A

Ecuacin 1.9. Donde: h es igual a la profundidad de la malla de tierra en m Para mallas sin varillas de tierra esta frmula ha sido probada y ha dado resultados prcticamente idnticos.

1.5.4. MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO Las estimaciones basadas en la clasificacin del suelo dan nicamente una aproximacin de la resistividad. La prueba de resistividad es obligada en la actualidad. Esta deber realizarse en varios lugares dentro del sitio. Son muy raros los lugares de la subestacin en donde el suelo puede tener resistividad uniforme a travs del rea entera a una considerable profundidad. Generalmente, tienen varias capas, cada una con diferente resistividad. La variacin de resistividad lateral es menor en comparacin con la variacin de la resistividad horizontal. Las pruebas de resistividad del suelo debern de determinar alguna




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variacin importante de la resistividad con respecto a la profundidad. Como regla el nmero de lecturas realizadas debern de ser tan grandes como las variaciones, especialmente si alguna de las lecturas tomadas es alta, que pueda ocasionar posiblemente problemas de seguridad. Si la resistividad vara apreciablemente con la profundidad, es recomendable incrementar en el rango de los espaciamientos de prueba. La idea es que podamos tener una estimacin de manera muy exacta para grandes espaciamientos fijos por extrapolacin. Esto es posible porque al incrementar el espaciamiento de la prueba, la fuente de corriente de la prueba penetra ms y ms a reas distantes, en las direcciones horizontal y vertical, a pesar de la cantidad de trayectorias de corriente que se distorsionan debido a las variaciones de las condiciones del suelo. La investigacin en campo del lugar en que se va a ubicar una planta subestacin, es esencial para determinar la composicin general del suelo y obtener algunas ideas bsicas acerca de su homogeneidad. Las muestras de campo para los estudios de mecnica de suelos son muy tiles, ya que nos proporcionan informacin sobre las diferentes capas del subsuelo y los materiales que las componen, dndonos una idea del rango de su resistividad. El valor de la resistividad del suelo que se usar en el diseo de la red de tierras, generalmente se determina con pruebas de campo en el lugar donde se ubicar la planta o subestacin. Debido a que existen variaciones en el sentido horizontal y vertical en la composicin del suelo, es conveniente realizar las pruebas de campo en varios lugares del terreno. La mayor cantidad de datos obtenidos en las pruebas, nos permitir seleccionar con mayor precisin el modelo de suelo a usar en el diseo de nuestra red.

1.5.5. MTODOS PARA LA MEDICIN DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO

1.5.5.1. MTODO WENNER El mtodo ms utilizado comnmente es el de Frank Wenner denominado tambin de los cuatro electrodos o cuatro puntos. Consiste bsicamente en 4 electrodos enterrados dentro del suelo a lo largo de una lnea recta, a igual distancia a de separacin, enterrados a una profundidad b. La tensin entre los dos electrodos interiores de potencial es medida y dividida entre la corriente que fluye a travs de los otros dos electrodos externos para dar un valor de resistencia mutua (). El equipo de medicin es el Megger de tierra y la medicin se efecta como se muestra en la figura 1.19.




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Figura 1.19. Mtodo Wenner de los cuatro puntos

De donde obtenemos la siguiente ecuacin:

=4aR

1 +2a

a2 + 4b2

a

a2 + b2

Ecuacin 1.10. Donde:

es la resistividad aparente del suelo en m R es la resistencia medida en a es la separacin entre electrodos adyacentes en m b es la profundidad de los electrodos en m Analizando la ecuacin (1.10) vemos que el valor de "b" con respecto a "a" es ms pequeo, entonces la ecuacin puede simplificarse como:

= 2aR Ecuacin 1.11.

El mtodo de Wenner a pesar de que se public en el ao de 1915 continua vigente, y los mtodos diferentes para medir la resistividad que se han desarrollado se basan en su teora. Cabe aclarar que este mtodo es para un suelo homogneo, esto quiere decir que cuando el suelo es de una sola capa se pueden efectuar mediciones de resistividad con diferentes separaciones de electrodos y el valor de resistividad ser el mismo. Si el suelo es heterogneo, es decir, cambian sus propiedades a cierta profundidad en dos o ms capas entonces la medicin de resistividad cambiar con la separacin de los electrodos. En la configuracin de Wenner el arreglo de electrodos usual es (C1P1P2C2), se puede tener otro arreglo de electrodos como se muestra en la tabla 1.5.




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ARREGLO DE ELECTRODOS FRMULA DE RESISTIVIDAD

C1 P1 P2 C2 P1 C1 C2 P2

1

= 2aR1

C1 C2 P1 P2 P1 P2 C1 C2

2

= 6aR2

C1 P1 C2 P2 P1 C1 P2 C2

3

= 3aR3

Tabla 1.5. Configuracin de los electrodos de prueba en el mtodo Wenner

1.5.5.2. MTODO SCHLUMBERGER-PALMER Una desventaja del mtodo Wenner es el decremento rpido de la magnitud de la tensin entre los dos electrodos interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente puede usarse este arreglo. (Ver figura 1.20).

Figura 1.20. Mtodo Schlumberger-Palmer La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeos espaciamientos entre los electrodos, considerando que la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. As se asume que la resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos a representa la resistividad aparente del suelo a una profundidad b. La informacin de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e informacin sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que se realiz la medicin. Todos los datos vlidos sobre los conductores enterrados que ya se conocen o se suponen para el estudio de rea debern anotarse. Los conductores desnudos enterrados que se encuentran en contacto con el suelo pueden invalidar lecturas realizadas por el mtodo descrito si estn bastante juntos de manera que alteren la trayectoria del flujo de la corriente. Por sta razn, las




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mediciones de resistividad del suelo son de menor valor en un rea en donde una malla de conductores ya ha sido instalada, excepto, tal vez para mediciones poco profundas dentro o cerca del centro de una gran malla rectangular. En tales casos una lectura poco aproximada deber ser tomada a corta distancia fuera de la malla, con los electrodos en tal posicin que minimicen el efecto de la malla sobre las trayectorias de flujo de corriente. Sin embargo no es necesario hacer dichas consideraciones dentro de la malla, tales anotaciones pueden ser usadas por medio de una aproximacin, especialmente si hay una razn para creer que el suelo en la totalidad del rea es razonablemente homogneo. Los electrodos de potencial se localizan lo ms cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa el potencial medido. La frmula empleada en este caso se puede determinar fcilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequea comparada con la separacin d y c, entonces la resistividad aparente puede calcularse como:

=c c + d R

d

Ecuacin 1.12. Adems, con valores grandes de d/L, las variaciones de los valores medidos debidas a irregularidades en la superficie se reducen dando mediciones ms precisas.

1.5.5.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIN DE RESISTIVIDAD EN CAMPO

Se recomienda realizar las mediciones en la poca de menor humedad anual. Los registros de mediciones de resistividad deben incluir datos de temperatura e informacin acerca de las condiciones de humedad del suelo o resequedad del mismo y la poca en que se mide la resistividad. (NRF-011-CFE-2004 Seccin 7.1.4) Paso 1. Se debe dividir el terreno en cuadros de 10 por 10 metros, cada cuadro va a

formar una seccin, se deben enumerar en un plano las secciones que resulten.

Paso 2. Seleccionar aleatoriamente las secciones en donde se van a realizar las mediciones, de preferencia la mayor parte de las secciones seleccionadas debern estar en la periferia del terreno.

Paso 3. Trazar una diagonal en cada seccin que va a ser muestreada. (Ver figura 1.21).




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Figura 1.21. Direcciones y longitudes recomendadas para las mediciones de resistividad.

Paso 4. Partiendo del centro de la diagonal colocar las cuatro varillas en el suelo a una profundidad mnima de 20 cm de acuerdo a las condiciones del terreno, formando una lnea recta entre ellas, evitando la existencia de huecos alrededor de las varillas.

Paso 5. Se traza una lnea de prueba en diagonal al rea bajo anlisis, y comenzando al centro de la lnea se procede a variar la separacin de las puntas de prueba a 0.5, 1, 2 y 3 metros como mnimo.

Paso 6. Las terminales de corriente del instrumento C1 y C2 se conectan a las varillas de los extremos y las de potencial P1 y P2 a las varillas intermedias.

Paso 7. Se energiza el instrumento y se toman las lecturas respectivas de resistencia en .

Paso 8. Se calcula la resistividad mediante las frmulas antes mencionadas.

Paso 9. Las lecturas obtenidas se reportan en tablas.

Paso 10. Se trazan las grficas de resistividad () contra la separacin a para cada seccin.

Paso 11. El valor de la resistividad media del terreno ser el promedio del valor resultante obtenido en cada seccin, s estas no tienen una variacin de ms del 30%, en caso contrario se debe de calcular un promedio con el valor ms alto y el valor ms bajo de las resistividades promedio de las secciones.




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1.5.6. MTODOS DE MEDICIN DE LA RESISTENCIA DEL SISTEMA DE TIERRAS

Existen dos tipos de pruebas fundamentalmente. Las dems son variaciones de stas. Aunque muy parecidas, los resultados de las mediciones no son exactamente los mismos. Los mtodos son: Mtodo de Cada de Potencial y Mtodo Directo, tambin conocido como: Dos Puntos

1.5.6.1. MTODO DE CADA DE POTENCIAL (62 %)

Figura 1.22. Mtodo de Cada de Potencial (62 %) Este procedimiento involucra la utilizacin de dos electrodos auxiliares, uno de potencial y otro de corriente. Consiste en inyectar una corriente por (C1/P1) en el electrodo bajo prueba y se hace regresar por el electrodo auxiliar de corriente (C2). Al pasar la corriente por la tierra, una cada de tensin existir entre (C1/P1) y el electrodo auxiliar de potencial (P2). Dentro del aparato se calcula la resistencia por medio de la ley de ohm. La figura 1.22, muestra el arreglo de las varillas.

R =E

I

Ecuacin 1.13. Donde: R = Resistencia a tierra E = Tensin leda entre el electrodo (C1/P1) y el (P2). I = Corriente de prueba inyectada por el instrumento.




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El mtodo requiere que por lo menos exista un espaciamiento entre (C1/P1) y (C2) de 15 m, y que se grafiquen los valores de resistencia obtenidos contra la distancia de (0) a (P2). La grfica mostrara un incremento gradual de resistencia a tierra mientras (P2) est en la zona cercana a (0). Cuando (P2) sale de esa zona pero no ha entrado en la zona de (C2), la grfica mostrar una meseta en los valores. Este aplanamiento obtenido se ha demostrado tericamente que se logra cuando (P2) est localizado al 62% de la distancia entre (0) y (C2) y es cuando obtenemos el valor de resistencia real del electrodo (Rr). Si la curva no presenta un tramo paralelo, quiere decir que la distancia escogida no es suficiente. (Ver figura 1.23).

Figura 1.23. Grfica del Mtodo del 62 % Esta es la razn por la que tambin se le llama a este mtodo el "de 62%". Sin embargo, este mtodo tiene la limitante de que depende en gran medida de enterrar los electrodos en una zona alejada de objetos conductores. Por lo general, para medir mallas a tierra se emplea el mtodo de cada de potencial mencionado arriba, con la variante, que los electrodos deben ser colocados a mayor distancia.

1.5.6.2. MTODO DIRECTO (DOS PUNTOS) Este mtodo involucra nicamente el electrodo bajo prueba y un punto de referencia, presumiblemente en buen contacto con la tierra y por ello con valor cercano de resistencia a tierra de cero ohm. De ah que el valor obtenido es aproximadamente la resistencia a tierra del sistema pequeo ms la resistencia de los cables de prueba. (Ver figura 1.24). La limitacin est en la eleccin del punto de referencia puesto que en muchos casos las tuberas aparentemente metlicas en toda su extensin, tienen partes de PVC.




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Figura 1.24. Medicin de la resistencia de un electrodo

1.5.6.3. PROCEDIMIENTO PARA MEDICIN DE RESISTENCIA EN CAMPO

Paso 1. Seleccionar la direccin en que se va a realizar las mediciones, evitando la

influencia de lneas de transmisin es decir que la lnea de accin sobre la cual vamos a realizar las mediciones no este debajo de lneas de transmisin.

Paso 2. Las dos terminales (P1 y C1) del aparato de prueba se puentean para

conectarse directamente al electrodo de la red de tierra que se pretende probar (este cable debe ser de longitud corta).

Paso 3. Las varillas de prueba P2, C2 debern clavarse a una profundidad de 50 a 60 cm aproximadamente. La distancia (d) del electrodo bajo prueba de la red de tierra al electrodo de potencial (P2) puede variar (3, 6, 10 mts.) de acuerdo con el criterio de la persona que efecta la prueba y en cada punto se toma la lectura de resistencia.

Paso 4. La distancia (L) a la que se debe clavar el electrodo de corriente C2 debe ser igual o mayor a 10 veces la longitud del electrodo bajo prueba.

Generalmente en Comisin Federal de Electricidad se utilizan electrodos (varillas de tierra) de tres metros de longitud y un dimetro de 19 mm. Por lo anterior la distancia del electrodo de prueba al electrodo de potencial es de 18 metros (62 % aprox.) y la distancia del electrodo bajo prueba al electrodo de corriente es de 30 metros.




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Paso 5. Se energiza el instrumento y se toman las lecturas respectivas de resistencia en .

Paso 6. En la ltima medicin se cortocircuita el electrodo de potencial con el

electrodo bajo prueba, el valor obtenido se resta al valor real de la resistencia.

Paso 7. Se debe realizar esta medicin en poca de estiaje.

1.5.7. APARATOS PARA LA MEDICIN Los aparatos de mayor uso para la medicin de la resistividad de la tierra son conocidos como megger de tierras. Y pueden ser del tipo analgico o digital. El megger es un instrumento de medicin, en el que el valor de la resistencia que se mide se registra directamente sobre una escala y esta indicacin es independiente de la tensin. El megger consta de dos partes principales: Un generador de corriente continua, y el mecanismo del instrumento por medio del cual se mide el valor de la resistencia que se busca. En la actualidad los instrumentos para la medicin de la resistividad son digitales y nos proporcionan la lectura directamente en ohms, como lo muestra la figura. (Ver figura 1.25).

a) b)

Figura 1.25. a) Megger anlogo, b) Megger digital




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1.5.8. MTODOS DE REDUCCIN DE VALORES DE RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRAS Y RESISTIVIDAD DEL TERRENO

1.5.8.1. REDUCCIN DE LA RESISTENCIA DE LA RED DE TIERRAS

La resistencia a tierra se puede definir como la resistencia que ofrece un sistema de tierra al paso de la corriente elctrica. Este valor de resistencia depende de la resistividad del terreno, las caractersticas fsicas del electrodo a tierra (dimetro, rea, longitud, etc.) y de la longitud y el rea de los conductores. En reas en donde el espacio de la subestacin es reducido, como es el caso de subestaciones aisladas en gas, las cuales ocupan solamente una fraccin del espacio ocupado por una subestacin convencional, no es posible obtener un sistema de tierras de baja impedancia y esto a menudo hace difcil el control de los gradientes superficiales. Para lo cual algunas de las soluciones son:

El uso de varillas de tierra profundas y buenas perforaciones de tierra, en combinacin con tratamientos qumicos del suelo.

En lo que respecta al uso de tapetes de conductor, en reas expuestas es factible combinar materiales aislantes y tapetes hechos de alambre mallado, metal expandido o parrillas; primero para iguala

siste made tierras

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