METODO DE CALCULO Y PROYECTO PROYECTO DE INSTALACIONES INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA PARA CENTROS DE TRANSFOR TRANSFORMACI MACION ON CONECTADOS CONECTADOS A REDES DE TERCERA TERCERA CATEGORIA
Elaborado por :
CA, S . A . COMITE COMITE D E DISTRIBUCION COMISION COMISION DE D E REGLAMENTOS REGLAMENTOS
Editado en colaboración con :
UNIDAD ELEC ELECTRI TRI
ASOCIACION ELECTROTECNICA Y ELECTRONICA ESPAÑOLA
La puesta en práctica del Reglamento Reglamento sobre Condiciones Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad Seguridad en (RD D 327511982) y de sus Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación (R sus Instrucciones
Técnicas Complementarias (O.M.
obligó obligó a reconsiderar el contenido de algunas de las citadas
y particularmente la
13 en lo referente a las Instalaciones de Puesta a Tierra.
En el apartado 1.1.12 de la citada RAT 13, se señala en su
categoría que respondan a tercera categoría
párrafo Para instalaciones de "
tipo, como es el caso de la mayoría de los centros de
transformación,el transformación,elórgano órganoterritorialcompetentepodrá podráadmitir quese omitala
de las anteriores
mediciones, sustituyéndolas por la correspondientea correspondientea la resistencia de puesta a tierra, si se ha establecido la correlación, sancionada por la práctica, en situaciones situaciones análogas, análogas, entre tensiones de paso y contacto y resistencia de puesta a tierra . "
Para facilitar la aplicación de esta
la Comisió Comisión n de Reglamentos procedió proced ió al análisis de la
Legislación Legislación Europea Eur opea y a la aplicación de la misma misma en los respectivos países,
y posteriormente elaboró
per mitiese la aplicación aplicación correcta y simplificada simplificada de la Legislación Española, con el un documento que permitiese de facilitar al Proyectista una una herramienta adecuada a las necesidadesque necesidadesque estable e stablece ce nuestra Legislación. Legislación. Como consecuencia de ello,
y tras numerosos numerosos
debates con los expertos en el campo campo de la Puesta
a Tierra, se ha elaborado este Documento que creemos responde a las demandas fijadas fijadas por la Legislación y por los Expertos, Expert os, Consultores, Proyectistas, etc., etc., facilitand fac ilitando o la aplicación del Reglamento. Una vez vez elaborado elabora do el Documento Documento se consideró necesario, necesario, antes de proceder a su conocimiento del mismo a las
dar
Generales Generales de Energía Energía Eléctrica y de Seguridad Seguridad Industrial
del Ministerio de Industria y Energía, para su estudio y aporte de las observaciones que considerasen oportunas. Ello permitió enriquecer enrique cerel contenidodel Documento ajustando parte del mismoalas observaciones que nos fueron hechas por las citadas La Dirección General de la Energía Ener gía del General de
Generales. de Industria y Energía ha enviado enviado al Director
la carta que se recoge a continua continuación. ción.
Rogamos a los que utilicen este
de cálculo nos comuniquen cualquier cualqui er observación que
permita una mejora del
COMISION DE DEL DEL DE DISTRIBUCION DE
Ministerio de Industria y Energía MADRID-
Dirección General d e l a E n er er g ía
DE
:
---
DESTINATARIO
Sr . D Pedro Rivero. Director General de Francisco Gervás, 3 .
28020 MADRID
ASUNTO:
MIE
13.
El c álcul o de la s instal acion es de t i e r r a , exigido por por l a nu nueva reg la mentación sobre centros de transformación, resulta para el proyecti proyecti s t a co muy aborioso. La comisión de Reglamentos de ha des arrollado el do de cálculo y proyecto de instalaciones de puesta a tierra para centros de transformación de tercera categoría , que normaliza dicho cálculo, analizando a reglamentación existente, definiendo procedimientos de cálculo y proponien do di versos e jemp jemplo loss de apl ica ció n. "
-
Las rec ci ones ones Ge Gene nera rall es de Energía El éc tr ic a y de Seguridad Seguridad Indu Induss t r i a l de e s t e Mi ni s t e r i o , han analiza do dicha metodolog metodología, ía, estimando estimando que que cumple cumple el propósito para el que fue preparada, no encontrándose inconveniente en su apl apl icación para el cál cul o de as instalaciones de tercera categoría.
-
Es de reconocer el trabajo efectuado por a Comisión de Reglamentos de ya que se espera que la unificación de criterios de cálculo facilitará l a labor del pr oy ec ti st a, redu redund ndan ando do por por e l l o en un una mayor seguridad de l a s insta lacio nes y por por ta nt o del usuario. usuario.
GENERAL
UNIDAD ELECTRICA, S.A. DE DE
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA PARA CENTROS CENTROS DE DE TERCERA
MANUAL
FEBRERO
1. OBJETO
Y
CAMPO DE APLICACION
1989
2
2. CONSIDERACION CONSIDERACIONES ES SOBRE EL EL USO DE ELECTRODOS ELECTROD OS DE DE TIERRA TIPO 3. PRESCRIPCIONES PRESCRIPCIONES GENERALES 3.1 3.2 3.3
Seguri Seguridad dad de la person personas as Sobretension Sobretensiones es admisibles admisibles para las las instalacione instalacioness de Limita Limitacion ciones es del valor de la corrie corriente nte de defecto.
del CT
4. PROCEDIM PROCEDIMIENTO IENTO DE CALCULO 4.1 4.2 4.3 4.4
Investigació Investigaciónn de las las caracterlstic caracterlsticas as del terreno terreno de las corrientes corrientes máximas máximas de puesta a tierra y del del de eliminación del del defecto preliminar liminar de la instalacidn de tierra Calculo Calculo de la la resist resistenci enciaa de puesta a tierra y de las tensiones de paso y de contacto
4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.5 4.5
4.5.2
16 16
Consid Considera eracio ciones nes genera generales les Electr Electrodo odoss de tierra. tierra. caracterlsticos Relacidn Relacidn entre resistencia resistencia de puesta a tie rra y tensiones de paso y de contacto
17 17
Medidas Medidas adicion adicionale aless de seguridad seguridad para las las tensiones tensiones de contacto contacto CT en edificio edific io CT sobre apoyos Condiciones Condiciones a cumplir cumplir por el electrodo electrodo de tierra
4.6.2 4.7
de los los sistemas de puesta a tierra de de servicio Puestas Puestas a tierra tier ra en CT conectados conectados a redes de cables cables y ajuste del
1
16
16
17 18 19 20
Investigación Investigación de las tensiones tensiones transferidas transferidas al exterior exterior
4.6.1
ANEXO
12
Conprobacidn Conprobacidn de que las las tensiones tensiones de paso y de contacto calculadas calcula das los valores máximos admisibles sean inferiores a los
4.5.1
4.6
11
20 y
20 23
inicial
de Howe para calcular la resistencia de puesta a tierra y las las tensiones de paso paso y de contacto para distintas de electrodo de tierra erra de Howe de la resistencia de puesta a tierra Determinacidn de las las tensiones de paso y contacto Ejenplo. jenplo. Rectangulo Rectan gulo como electrodo electro do de tierra
24
A 1-1
ANEXO 2 Configuracidn tipo t ipo de electrodos de tierra tierra.. Tablas con sus caracterlst i Indice general de tablas ANEXO 3 Relacidn entre resistencia de puesta a tierra y tensiones de paso y de contacto ANEXO 4 Proceso de calculo y electrodo odo de d e p.a. t.seleccionado t.seleccionado i ficacidn del electr ANEXO 4.1 Para CT cone ctado a red con neutro puesto a t lerra ANEXO 4.2 Para CT conectado conecta do a red con neutro aislado aislad o
ANEXO 6
Bibliografia
A A
-1
A6
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE A TIERRA PARA CENTROS DE DE TERCERA
OBJETO Y
2
DE APLICACION
El presente documento expone un método de cálculo para para proyectar instalaciones de puesta tierra, basadas en electrodos de configuraciones geométricas tipo, para para Centros de Transforma ción (CT) de tercera categoría. categoría.
a
La terminología termin ología ut i izada es la de! de! Reglamento Reglamento sobre sobr e Condiciones Condiciones y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctric Eléctricas, as, Subestaciones y Centros de Transformación (RAT) y sus Instruc ciones Técnicas Técnic as Conplementarias (MIE (MIE-RAT). En este documento, también se establece estab lece la correlación calculada de paso y contacto contacto y la resistencia resistencia de de puesta a tierra, tierra, para configuraciones tipo (método de Howe) .
entre las tensiones tensione s cada cad a una de las las
El proceso proceso general de para una instalación de puesta a tierra tierra de un CT concreto, concret o, alimentado alimen tado por una red de alt a tensibn (AT) de conocidos, a en un terreno de característi cas del terreno concretas, concre tas,ser ser fa el siguiente: siguiente: Proyect o de la instalación de utilizando alguno de los electrodos tipo - Proyecto Construcción de la instalación de con la configuración de electrodo elegida en proyec to Conprobac Conprobación practica, rea izando las corres pondientes pondientes mediciones medicio nes sobre el terreno, terreno, de que los valores reales real es de las tensiones de paso y contacto y de resistencia de puesta a tierra, coinciden con los valores teóricos calculados. El proceso anterior anteri or se ha real real izado repetidamente para distintos distint os electrodos tipo tip o y distintas características del del terreno; terreno; por por tanto, se ha establecido estable cido la correlación, correla ción, sancionada por la práctic práctica. a. en situaciones análogas, entre tensiones de paso y contacto contac to y resistencia de puesta a erra erra.. Esta correlacibn, correlacibn , conprobada conprobada de forma corroborada internacionalmente, tal como se indica en la bibliografía bibliogra fía del Anexo 6. 13, y establecida esta Según se indica en el último últim o apartado apartado del punto 8.1 de la MIE -RAT RAT 13, correlación, este documento pretende que el Organismo Territorial admita que, para los los CT cuyos electrodos electro dos de puesta a tierra respondan a las configuracion config uracion es tipo indicadas, se omita la medición de d e las las tensiones de paso y contacto, sustituyéndo sustituyéndola la por por la medición medición del valor de la correspon cor respondiente diente resistencia de puesta a tierra. tierra.
2.- CONSIDERACIONES
EL
SOBRE
US O
DE
DE TIERRA TIPO
Dado que los son instalaciones de caracter caracte r repetitivo, parece razonable razonab le evitar la de un proyecto de instalación de puesta a tierra especff para cada CT, y utilizar alternativa electrodos tipo. Los electrodos tipo, de (anchura, (anchura, longitud, profundidad, etc. etc.)) defini definidas, das, y pe permiten rmiten conocer, conocer, a priori. priori. el de ia instalacibn de tierra en función funció n de las las caracterfsticas de la la red de AT que va a alimentar al CT y de las del terreno en donde dond e va a ubicarse ubicarse este. este. Asf pues, conocie cono ciendo ndo la tensión tens ión de servicio, servicio, el de actuación de las las protecciones, la impedancia impedancia de puesta a tierra tierra del neutro, etc., en relación relaci ón con la red de AT que va a alimentar alimen tar al CT, y la la resistividad del terreno en que va va a ubicarse el CT, se obtiene obt iene la la resistencia de puesta a tierra y las tensiones tension es de paso y contacto, mediante métodos de laboriosos. y se han Para este documento docume nto se ha ha utilizado el de han desarrollado dos programas distintos de ordenador ordena dor realizados por por equipos equipo s independientes, en los que se ha calcula calc ulado do la resistencia de puesta a tierra y las tensiones tension es de paso y contacto para los distintos electrodos tipo. tipo. Los dos programas ha hann dado resultados coincide coincidentes. ntes.
Para poder presentar de una operativa estos resultados, se s e han confeccionado confec cionado unas tablas en donde, para cada configuración tipo, se obtienen unos valores valore s "unitarios" de la resistencia de puesta a tierra y de las las tensiones de paso paso y contac contacto. to. Estos valores "unitarios "unitar ios " permiten, para cualquier cualqu ier red de AT y cualquier cualqui er resistividad del terreno, pasar mediante mediant e cálculos cálculos elementales a los valores, en de la resistencia de puesta a tierra y, en voltios, de las tensiones de paso y contacto. .
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE DE TERCERA
Las configuraciones config uraciones de electrodo consideradas conside radas son * * *
las las siguiente siguientes: s:
Cuadrados o rectángulos r ectángulos sin picas. picas. Cuadrados o rectángulos rectángu los con 4 y 8 picas. Electrod Elec trodoo longitudinal longitudin al con 2, 3, 4, 6 u 8 picas alineadas.
Además, para cada configuración, se han considerado las profundidades profundidad es de enterramiento enterramien to de de 0.8 m. y el caso ca so de picas, se han conside considerado rado distintas longitudes de las 4, m).
0,5 0,5 y 6 u8
Las dimensiones dimensione s seleccionadas sel eccionadas corresponden corresp onden a los tipos más usuales de locales para CT, consider cons iderando ando la posibi idad de aprovech apro vechar ar la excavaci exca vación ón necesaria para la cimentac cime ntación ión del local, para instalar un conductor en el fondo de la zanja de cimentación, siguiendo por tanto el del CT. CT. Este conductor al que, en caso necesario, se conectaran picas, picas, constituye el electrodo electrodo.. En casos en que sea problemático problemáti co realizar este tipo de electrodo (subsuelo ocupado) puede recurrirse a la la colocación de un electrodo longitudinal longitudinal con picas exteriores en hilera. No resulta problemático problemáti co el caso de que se quiera construir un electrodo cuya no coincida exactamente con la de ninguno de los electrodos tipo tipo de las tabl tablas. as. Basta con seleccionar el electrodo tipo de medidas inmediatamente inmediatame nte inferiores, con c on la seguridad de que si la resistencia resistenci a de puesta a tierra y las tensiones de paso y contacto de éste Último cumplen las las condiciones establecidas en la 13, con mayor razón las las el electrodo real a construir, pues al ser de mayores dimensiones. presentara una menor resistencia resistenci a de puesta a tierra y una mejor disipación de las corrientes de defecto. defecto. Por último, otro aspecto práctico a destacar en relación con los electrodos tipo es que, para unas caracterf st icas de la red de AT, pueden seleccionarse selecciona rse convenientemente convenient emente unos cuantos electrodos tipo de los que figuran tabulados, de forma que, de cumplir las condiciones c ondiciones exigidas a las instalaciones de puesta a tierra, cubran entre todos distintas gamas de valores de resistividad resistivid ad del terreno. terreno. 3.- PRESCRIPCIONES PRESCRIPCIONES GENERALES Cuando se produce un defecto a tierra en una de alta tensión, se provoca una del potencial del electrodo a través del cual circula la la corriente de defecto. defecto. al disiparse dicha corriente por tierra, en el terreno gradientes de potencial. otencial. Al dise disefi fiar arse se los electrodos de puesta a tierra deben tenerse ten erse en cue nta los sig uientes aspectos: *
*
Seguridad de las personas en relación con las elevaciones de potencial. Sobretensiones Sobretensi ones pel igrosas para las instalaciones. Valor de la intensidad de defecto que haga actuar las protecciones, proteccione s, asegurando la eliminación de la falta.
*
3.1
de
las personas
La 13 establece que la tensión máxima aplicable que puede aceptarse, aceptarse, es la siguiente: siguiente:
t. K
envoltios y n, constantes, función del ti 0,9 = t segundos, 3 t 0,9 segundos, 5 t 3 segundos, t 5 segundos, >
-
K K
al cuerpo humano, humano, entre mano y pies,
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE DE A TIERRA PARA CENTROS DE TERCERA
4
En el Gráfico Gráfi co 1 (pág. 5) se detalla la de la tensión máxima aplicable al cuerpo humano entre mano y (1) en función del del tienpo de despeje de la falta. Cuando el elemento cuya actuación actuaci ón elimine elimine la falta, disponga disponga de reenganche reenga nche automático rápido (inferior ferio r a 0.5 segundos) el tiempo a considerar consi derar la suma de los tiempos tie mpos parciales de mantenimiento de la corriente de defecto. defecto. En base a suponer que la la máxima aplicada al cuerpo humano, no supere el valor indicado en (1) para las tensiones de contacto conta cto (entre mano y pies pies), ), ni supere super e 10 veces dicho valor para para las las tensiones de paso (entre (entr e separados 1 m), los valores admisibles de las tensiones de paso y contacto, y que por por tanto, no pueden ser superados en una instalación instalación,, son los siguientes: 10 K tn
Tensión de paso (V)
1000
K
de contacto (V)
tn
1000
Las fórmulas (2) y (3) responden a un planteamiento planteamiento sinplificado del circuito desprecia desp reciarr la resistenc resi stencia ia de la piel y del calzado, y se han determinado, suponiendo que resistencia del cuerpo humano es de y asimilando cada pie a un electrodo en forma 2 de superficie que ejerza sobre el suelo una fuerza mínima de 250 N, placa de 200 cm que representa una resistencia de contacto con el suelo evaluada en 3 siendo resistividad superficial del terreno.
La deducción de las fórmulas (2) y (3) es la siguiente siguien te
:
Sea,
. resistencia de contacto con el suelo . resistencia del cuerpo humano
:
:
. tensión de paso máxima aplicable alal cuerpo c uerpo humano
:
. tensión de contacto máxima aplicable al cuerpo huma humano no:: . tensión de paso pa so máxima admisible en la instalación: instalación: . tensión de contacto máxima admisible en la instalación instalación::
al la de lo la
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE
PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE TERCERA
DE
7
El proyectista proyectista de la instalación de puesta a tierra deberá conprobar, conproba r, median mediante te el el empleo empleo de un procedimiento de cálculo sancionado por la practica, practica , que los valores valores de las tensiones tensiones de paso. paso. , y de contacto, que calcule calcul e para la la instalacidn proyectada. en función función de su de la corriente de de puesta a tierra que considere y de la resistividad correspondient correspo ndientee del terreno, no supere superenn los valores valores calculados calculados según las las fórmulas fórmulas (2) y (3). En el caso de la tensidn tensidn de paso, puede suceder suceder que la resist resistivid ividad ad superficial superficial del es habitual en el el acceso acce so a los centros centro s de terreno terreno sea distinta para cada pie. pie. Esta transformacidn, donde los pavimentos, interior y exterior, pueden ser de distinta distin ta En estos casos casos la de la tensidn máxima de paso admisible que pu ede aparecer en una (2) y que no debe ser superada tiene la expresión : instalación (2)
En
la que que
,
son las las resistividades superficiales superfi ciales del terreno terren o en el el que se apoya cada
y
En las Tablas 1 y 2 (páginas 8 y 9) se recogen, para para resistividade resisti vidadess del terreno terren o compren c omprendi di das entre 20 y 3000 m, las tensio tensiones nes 'máxima 'máximass de paso y contacto admisibles que pueden aparecer aparece r en una instalación, en funcidn funcid n del del tienpo de eliminacidn elimin acidn de la falt falta. a. En la Tabla 3 10) figuran las las tensiones tensio nes máximas de paso paso admisibles admisib les que pueden aparecer en la la entrada a los los centros de transformación en los que el pavimento, de hormigón, tiene tien e una una resistividad de 3000 3.2
Sobretensione Sobretensioness admisi admisibles bles
las las instalacione instalacioness de baja tensidn del centro c entro de d e transformacidn
Para evitar que la sobretensidn del del sobretensidn que aparece aparece aall producirse producirse un un defecto defect o en el circuito de alta tensión, deteriore deterio re los elementos el ementos de baja tensidn del centro, el electrodo electr odo de puesta puesta a tierra debe tener un efecto efecto limitador, de forma que la tensidn de defecto sea sea inferior inferior a la que soportan soport an dichas instalaciones Esto es
Siendo
:
:
Tensidn de d e defecto, en voltios voltios.. Tensidn Tensid n soportada a frecuencia industrial por la instalacidn de baja voltios. Resistencia del electrodo, en ohmios. anperios. , Intensidad de defecto, en anperios. ,
,
tensidn, en
,
Los valores son: 4000, 6000, Valor
y
por
uti izados de la la tensid tensidnn soportada soportada por la instal instalaci acidn dn de baja tensidn tensidn V
Estos valores corresponden corresp onden a las tensiones soportadas, a frecuencia frecue ncia industrial, por los los materiales de baja tensidn tensid n que deben instalarse en los centros de transformacidn. Los valores anteriores superarse cuando cuando el proyectista proyectista justifique que los los tengan caracterlsticas dieléctricas superiores o se disponga disponga,, para para los los elementos más sensibles, sensibles, de un transformador transfo rmador de separación separac ión de circuitos. circuitos.
.
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA TIER RA PARA CENTROS DE DE TERCERA
9
.
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA TIER RA PARA CENTROS DE DE TERCERA
9
DE CALCULO CALCULO Y PROYECTO P ROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A PARA CENTROS DE DE TERCERA
11
3.3 3.3 Limitaciones Limitaciones del valor de llaa corriente de defect defectoo La intensidad máxima máxim a de defecto deberá ser lo más baja baja posible, con objeto objeto de que la la tensió ten siónn que aparezca aparezca en el el el ectrodo cuando sea recorrido por la misma, tenga el valor más reducido posible. Dicha intensidad tener asimismo, un valor protecciones que tiene n que detectar el el defecto e
superior superio r a la de arranque de las la al
Valor de arranque de las protecciones
4. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DE CALCULO CALCULO Las prescripciones generales . que deben cumpl ir garantizar la seguridad de las personas y cosas, se en :
los electrodos electrodos de puesta a tierra, tierra, para tal cano se refleja refle ja en el el Capítulo Capítul o 3, 3,
de protección. Limitación de la resistencia de puesta a tierra El valor máximo de debe permitir que la intensidad de defect defectoo supere el el valor de actuación de las protecciones y que la que aparece, en caso de anomalí anomalía, a, no sea perjudicial para la de baja tensión tensión del CT.
Definición de una del electrodo de a tierra. Su será tal, tal, que los gradientes de tensión que aparecen aparec en en el terreno en caso de defecto, no sean superiores superio res a las las tensiones tension es que pueda soportar una persona que acceda a puntos separados afectados afecta dos por la anomalía. anomalía. Tal como como se indica en las (3) (3) y las tensiones máximas admisibles en una instalación función funció n de la la resistividad superficial del del ter
DE CALCULO CALCULO Y PROYECTO P ROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A PARA CENTROS DE DE TERCERA
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3.3 3.3 Limitaciones Limitaciones del valor de llaa corriente de defect defectoo La intensidad máxima máxim a de defecto deberá ser lo más baja baja posible, con objeto objeto de que la la tensió ten siónn que aparezca aparezca en el el el ectrodo cuando sea recorrido por la misma, tenga el valor más reducido posible. Dicha intensidad tener asimismo, un valor protecciones que tiene n que detectar el el defecto e
superior superio r a la de arranque de las la al
Valor de arranque de las protecciones
4. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DE CALCULO CALCULO Las prescripciones generales . que deben cumpl ir garantizar la seguridad de las personas y cosas, se en :
los electrodos electrodos de puesta a tierra, tierra, para tal cano se refleja refle ja en el el Capítulo Capítul o 3, 3,
de protección. Limitación de la resistencia de puesta a tierra El valor máximo de debe permitir que la intensidad de defect defectoo supere el el valor de actuación de las protecciones y que la que aparece, en caso de anomalí anomalía, a, no sea perjudicial para la de baja tensión tensión del CT.
Definición de una del electrodo de a tierra. Su será tal, tal, que los gradientes de tensión que aparecen aparec en en el terreno en caso de defecto, no sean superiores superio res a las las tensiones tension es que pueda soportar una persona que acceda a puntos separados afectados afecta dos por la anomalía. anomalía. Tal como como se indica en las (3) (3) y las tensiones máximas admisibles en una instalación son función funció n de la la resistividad superficial del del terren terreno. o. Para ir con las las condiciones de seguridad requeridas, se seguirá seguir á el procedimient proced imientoo de cálculo cálculo indicad ndicadoo en el el aparta artado do 2.1 de la MIE RAT 13: 13: Investigación de las caracterlsticas del terreno. de las corrientes máximas de puesta a tierra y del del de eliminación del defecto. Diseño preliminar de d e la instalación de tie tierra rra.. Cálculo Cálculo de la resistencia resistenci a del del sistema de puesta a tierra. Cálculo Cálcul o de las tensiones de paso en el el exterior de d e la instalación. instalación. Cálculo de las tensiones de paso y contac contacto to en el el interior interior de la instalacibn. de que las tensiones de paso y contacto calculadas en 5) y 6) sean inferiores a los valores admisibles admisib les definidos definidos por las ecuaciones ecuacio nes (3) (3) y (4). Investigación de las tensiones transfe ribles al exterior. Separación Separ ación entre entr e los electrodos de tierra (*) de protección (masas) (masas) y de servicio (neutro inicial. y ajuste del (*) (* ) Se entiende por electrodos electr odos de tierra el el conjunto c onjunto
picas verticales enterradas. enterradas. A
4.1
por los los conduct ores
continu cont inuaci ación ón se desarro desa rrolla lla cada uno de estos estos puntos, en los los aparta apartados dos 4.1
horizontales horizon tales y
a 4.7
de las características ddel el terreno
Para instalaciones de tercera categoría y de Intensidad Intensidad de cortocircuito a tierra inferior inferior o igual a 16 M, el apar aparta tado do 4.1 de la RAT 13 admite la la posibilidad de estimar la resistividad resistivid ad del terreno o de medirla. obstante, obstante, en virtud de lo expuesto en el capítulo capítulo 1 del presente documento, se efectuar la
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA PARA CENTROS CENTROS DE DE TERCERA
12
Medida de la resistividad del terreno El procedimiento procedimie nto más utilizado y recomendado recomendado es el método de Wenner. Se cuatro sondas alineadas a intervalos iguales, simétricas simétrica s respecto al punto en donde donde se desea medir la resistividad del terreno. La profundidad cm. La profundi dad de estas sondas no es preciso que sobrepase los 30 cm. separación separación entre las las sondas (a) permite conocer la resistividad resistividad media del terreno entre entre su superficie y una profundidad h, aproximadamente aproximadamente igual igual a la profundidad profundid ad a la que se instalara el el electrodo. electrodo. 4
Siendo :
a =
3
h
En la Tabla 4 (pág. 13) se recogen los valores del del coeficiente coeficiente lectura lectura del aparato aparato (r) dete de teni nina na la resistividad resistivid ad media conprendida conprendid a entre la superficie y la profundidad
de las corrientes corriente s máximas de puesta a tierra
4.2.
del defecto
de
del
K
terreno terreno
que junto con la en en la franja
máximo de el iminación
a tierra
En instalaciones de alta tensibn de tercera categoría, los de la red que def la corrient corr ientee de puesta a tierra. son la resistencia y reactancia de las las líneas, líneas, son son variables. Con alguna frecuencia frecuenci a se intercalan intercala n nuevos circuito circuitoss y subestaciones. subestaciones. El lo obl iga a icar los incluyendo, en la aproximación, aproximaci ón, las las consider consideracio aciones nes que hagan posible que las posteriores, en forma de nuevas instalaciones modificaciones físicas o mantengan las las condiciones de seguridad establecidas, establecid as, para cada instalacibn. El aspecto más importante que debe tenerse presente en el el calculo de la corriente corrient e de puesta a tierra es el tratamiento del neutro de la la red red.. en las las redes de alta alta tensión de tercera categorla, las variantes son las las siguientes: Neutro unido a tierra Directamente Mediante
-
El nneutr eutroo unido a tierra es una variante de la mediante media nte impedancia impedancia,, dado que la la conexión conexión a tierra siempre presenta resistencia de cierto valor, valor, por reducido que sea.
Distancia
Profundidad
Coeficiente
Lectura Lectura
Resistividad
entre sondas
h
2
aparato
del terreno
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
12.57 25.13 62.83 75.40
13.5 15.0 16.5 19.5
24.0
42 44 46
31.5 33.0 34.5 36.0
50
150.80 163.36 175.93
22.5
32 34 36 38 40
48
87.96 100.53 113.10
201
28.5 251.33 263.89 276.46 289.03 301.59 314.16
a
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE A TIERRA PARA CENTROS CEN TROS DE DE DE TERCERA
Tiempos
de
15
del defecto
Cuando se produce un defecto a tierra, este se elimina mediante la apertura de un elemento de corte que actúa por la orden que le transmite un dispositivo dispositiv o que controla la intensidad intensidad de defecto. Salvo que el proyectista justifique lo contrario, no se Consideraran Considerara n los cortacircuitos cortacircui tos A efectos de fusibles como elemento de de las intensidades de defecto a tierra. determinar el el tiempo ti empo de eliminación de la corriente de defecto a tierra, el elemento de corte sera un interruptor interruptor cuya desconexidn estará controlada por un relé que establezca su tienpo de apertura apertura.. Los de apertura del del interruptor, incluido el de de arco, arco, se consideraran considerar an incluidos en el tiempo de actuacidn del relé. Respecto siguientes:
a
de actuacidn
los
de
los
relés,
las variantes normales son las
Relés a tiempo independi independiente: ente: En éstos, el tiempo de actuación no depende del valor de el valor del arranque, actúa en e n un tiempo tiemp o prefijad prefijado. o. Relés a
la sobreintensidad. sobreintensidad.
Cuando ésta supera
dependiente:
En éstos, el tienpo de actuacibn depende inversamen te de más uti izados responden a la siguiente expresibn:
la sobreintensidad. Algunos de los
Siendo: Tienpo de actuacidn del relé, en segundos r, Cociente C ociente entre la intensidad de defecto a tierra, (10) u relé referida al primario.
y
,
y la la intensidad de arranque del del
parámetroá parámetro á que dependen de la curva caracterfstica caracterfs tica intensidad intensidad -t
del relé.
Las curvas más uti izadas son las siguientes inversa
inversa (n
K'
0.014 0.028 0.042 0.056 0.070 0.084 O. 098 0.112 0.126 0.140
a
2) 1.35 2.70 4.05 5.40 6.70 8.10 9.45 10.80 12.15 13.50
Para definir el tienpo de actuacidn de las las protecciones proteccion es a ), la constante caracterlstica caracterlst ica del del el tipo de curva
8 16 24 32 40 48 56 64
72 80
dependiente se indicará la y la intensidad de
En el caso de que exista reenganche rápido, el tienpo a considerar será la de los co desconexid n posterior al reenganche rápido. rrespondientes rrespondien tes a la primera actuacidn y a la de la desconexidn
DE CALCULO Y PROYECTO DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE TERCERA
4.3.
DE DE
preliminar de la la instalación de tierra tier ra
El preliminar preliminar de la la instalación de puesta a tierra se izara basándose basándose en alguna algu na de las configuraciones configuraciones tipo presentadas presentadas en el el Anexo 2 página A2 -2 que esté de acue rdo con la y dimensiones dimensiones del centro centro de transformación. Sobre esta configuración configuración base pueden t antearse antearse diversas variantes. variantes. según se gún el el número de picas que se considere, su longitud y la profundidad de enterramiento, enterramiento, tal tal como se especificaba especificaba en el el Capitulo 2. 2. Para cada variante, correspondientes tensiones de paso 4.4.
y
calcularse calcularse la contacto.
Cálculo de la resistencia de puesta a tierra
4.4.1
resistencia resistencia
de puesta
de las tensiones tensiones de
Y
a tierra
y
las
contacto
Consideraciones
La resistencia resistencia de puesta a tierra es es la la que existe entre entre el electrod elec trodoo y un punto lejano del terreno a potencial cero. Para determinar determinar esta resistencia resistencia será preciso prec iso conocer la diferencia diferencia de potencial entre estos dos puntos de defecto) y al dividir divid ir esta tensión tens ión por la la intensidad que disipa el electrodo, electrodo, se obte ob tend ndrá ráel correspondiente correspondiente valor de la resistencia. Para determinar las las tensione tensioness de paso y contacto, según las definiciones del RAT, es preciso conocer la la distribu distribución ción de potenciales sobre el el terreno en en las las proximidades proximidades del electrodo. Asi pués, para determinar la resistencia resistencia de puesta a tierra y las las tensiones de paso y contacto, distribución de potenciales potenciales que provoca la disipació disip aciónn de corriente corri ente a través través del debe analizarse la distribución electrodo en estudio. estudio. El
de que se describe, en los 4.4.2 y 4.4.3 se basa basa en la la electrod electrodoo en infinitas esferas diferenciales, diferenciales, que disipan disipan una intensidad intensidad "dIn. Para determinar el potencial en un punto se integrara el el aporte aporte de las infinitas infinit as esferas diferenciales. Dado que en el medio en que se halla el electrodo existe existe una discontinuidad discontinuidad debida al plano que del imita la tierra con el aire, aire, para salvar dicha disconti discontinuid nuidad ad se consider considerara ara un medio infinito y homogéneo homogéneo en el el cual se halla el electrodo a estudiar y una imagen del mismo con respecto respecto al plano plano de tierra tierra (Método (Método de las imágen imágenes) es).. (una pica, un Como el el electrod electrodoo de tierra tierra está constituido por un elemento de geometrfa conductor horizontal, horizontal, etc. etc. ) la integración del aporte de las esferas diferencial es mencionadas conduce a la obtención de matemáticas simples de aplicación, que permiten determin determinar ar directamente directamente la resistencia resistencia de puesta a tierra y las tensiones de paso y contacto. contacto. Cuando el electrodo de tierra tiene una geometrfa más conpleja debe recurrirse a la utilización de métodos de calculo más sof como el que se describe descri be en el el Anexo Anexo 1. ,
4.4.2 Elec Electr trod odos os de tierra. tierra. usadas en el Tal como se ha expues ex puesto to en el Capftulo 2, la aplicación práctica de las método de (Anexo 1) requiere el empleo de programas de ordenador. Para itar la presentacidn de resultados se han confeccionado serie de tablas (Anexo 2) en las que, para diferentes de electrodo (Capítulo se especifican los siguientes expresados en los valores tarios indicados. n
Resistencia de puesta puesta a tierra Tensión de paso máxima, máxima, Tensión de contacto exterior máxima,
V/ (
Multiplicando por del terreno) se obtiene la resistencia de puesta a tierra en se calcula calcula la Id, Id, según seg ún las apartado 4.2, y, por por (10) u (11) del apartado y Último. multiplicando por por se obtienen, respectiv amente, los los valores, en voltios, de la tensión de paso máxima y de de contacto exterior máxima, para cada configuración tipo tipo de electrodo.
.
(V) (V) Cuando exista una malla conectada al electrodo de tierra, la tensión de paso de acceso (Capftulo 3) es equivalente equivalente al valor de la tensión tens ión de contacto exterior máxima. máxima. En el Anexo 2, para el caso caso de electrodos electrodos longitudinales con picas picas exteriores, exteriores , no se indica el valor de tensión de contacto exterior, ya que depende de la posición en que se ubique el electrodo con respecto resp ecto al CT. CT. En general, si si las picas se colocan frente a los accesos accesos al CT, paralelas paralelas a la fachada, no debe considerarse la la tensión de paso de acceso acc eso (tensión de contacto co ntacto exterior).
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS CENTROS DE DE TERCERA
18
Centros de transformación en edificio Las puertas y rejillas que den al exterior exterior del centro centro no contacto eléctrico con con masas conductoras susceptibles de quedar sometidas a tensibn tensib n debido a defectos defecto s o averfas. En el piso, se se un ma l lazo lazo electrosoldado con redondos de no inferior a 4 una retlcula no superior a 0.30 x m. Este lazo lazo se cone conect ctar araa c m en dos puntos preferentemente opuestos a la puesta a tierra de protección del del Centro. Centro. Con esta disposición se consigue que la persona persona que deba acceder a una parte que pueda quedar en tensibn, de forma eventual, esté sobre una superficie equipotencial, con lo que desaparece desapar ece el riesgo inherente inherente a la tensión de contacto y de paso interior. interior. Este se con una capa de hormigón de 10 cm de espesor como (figura 2).
ALZADO
-
U
PLANTA
2
MEDIDAS MEDIDAS ADICIONALES DE SEGURIDAD SEGURIDAD PARA PARA LAS TENSIONES DE CONTACTO EN CENTROS DE DE EDIFICIO
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA PARA PARA CENTROS DE DE TERCERA
19
Centros Centros de transformación sobre Para controlar controlar la de contacto se colocará una una losa losa de hormigón de espesor no inferior a 20 cm que cubra, como hasta 1.20 m de las las aristas exteriores de la de los apoyos. Dentro de la losa losa y hasta 1 m de las aristas exteriores de la del apoyo, se dispondrá un mal mal lazo electrosoldado de construcción constru cción con redondos de no inferior a m x 4 formando una no superior a Este se conectara conectara a la puesta a tierra de protección del centro al menos en 2 puntos quedara recubierto por un e spesor de hormigón hormigó n no inferior a 10 cm (figura 3) Con esta medida adicional se consigue que la persona que deba acceder accede r a una parte que, de forma eventual, pueda pueda ponerse en tensión, esté situada sobre una una superficie superf icie equipotencial con lo que desaparece desapa rece el riesgo inherente inherente a la tensión de contacto y de paso interior. interior. ,
El proyect proyectista ista podra justificar justific ar otras medidas medidas equivalentes.
CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE TRANSFORMACION DE TERCERA DE
4.5.2.
Cond Condic icio ione ness a
20
el electrodo electrodo de tierra tier ra
de conseguir conseguir que los los valores de las las tensiones tensiones de paso y contacto admisibles no sean superados, existen otros aspectos que deben tenerse en cuenta al diseñar los los electrodos electrod os de sobretensiones que se puedan presentar presentar en el caso de defecto puesta a tierra, para evitar que las sobretensiones o superen los considerados, considerados, tal tal como se detalla e n los los apartados apartado s 3.2 y 3.3. En 5 la Tabla se resumen r esumen dichas condiciones. condiciones.
TABLA
5
CONDICIONES A CUMPUR POR LOS ELECTRODOS
de las las personas personas (Apartado (Apartad o 3.1) Tensión máxima calculada
Tensión máxima admisible en la la instalación instalación
de paso en el el exterior exterior
de
de paso en el el interior interior
de
de contacto en el el interior
de contacto
(3) (3)
Si no se alguna de estas condiciones, condiciones, el proyectista proyectista debe deberl rlll justificar justificar las medidas medi das adicionales de seguridad adoptadas para no superar las tensiones admisibles, admisibles, de acuerdo acue rdo con lo indicado indicado en el apar apartad tadoo 4.5. Protección Protección del material (Apartado (Apartad o 3.2) Nivel Nivel de d e aislamiento aislamient o del del equipo de
del CT a frecuencia frecuencia industrial industrial
y si no se cumple la relación Se debe deberl rlll defini def inirr el valor de transformador de de circuitos.
Tensión de defecto
deber deberll ll utiliza utilizars rsee un
de la corriente de defect def ectoo (Apartad (Apartadoo 3.3) Intensidad de defecto
Intensidad de arranque de las las protecciones proteccio nes
de las tensiones transferidas al exterior exterio r
4.6.
Un a vez vez el electrodo, deb deber erll ll verific verificarse arse que no puedan transmit irse irse tensiones tensione s al exterior. En concreto concreto debe deberl rlll estudia rse la posible posible transfer tran sferenci enciaa a de la puesta a tierra tierra del neutro y determinar determin ar las características eléctricas de este
4.6.1.
de los
de puesta a tierra de protección
de servicio (neutro)
Para garantizar que el de puesta a tierra de servicio no alcance tensiones elevadas que puedan afectar a las las instalaciones de los usuarios, en el el en que se este proteccibn, bn, debe establecerse una entre disipando un defecto por el sistema de tierra de protecci los electrodos electrodos más de sistemas, la cual, función de la resistividad del terr eno y de la la intensidad intensidad de defecto. La máxima diferencia diferenci a de potencial que puede pued e aparecer entre el el neutro neut ro de no debe ser superior a V.
no afectada,
BT y
una tierra lejana
1
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONE INSTALACIONES S DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE DE TERCERA
22
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONE INSTALACIONES S DE PUESTA A TIERRA PARA CENTROS DE DE TERCERA
22
DE CALCULO Y PROYECTO DE INSTALACIONES DE PUESTA A PARA CENTROS DE DE TERCERA
24
en donde: ,
Resistividad del terreno, en ohmios por metro
r
,
Radio de un círculo de la misma superfic supe rficie ie que el el área cubierta por la malla, en metros.
L
,
Longitud total de lo loss cables existentes en la la malla con cubierta conductora, conductora , en metros. metros.
,
Longitud total de las picas verticales verticales incluidas en la malla, en metros.
V, Tensión que deben soportar las las instalaciones instalaciones interiores y receptoras, tal
se ha
indicado anteriormente. 4.7.
del disefio inicial.
En el caso de que que el dis disef efio io inicial alguno de los condicionantes condiciona ntes anteriormente anteriorme nte indicados, escogerse otra variante de electrodo tipo y repetir repetir el el proceso. Aumentando la longitud total de electrod electrodoo horizontal, horizontal, el de picas o su longitud, y disminuirá la en consecuencia los valores de pueden aplicarse otras y medidas, indicadas en tales como disponer pavimentos suf aislantes o establecer establece r conexion cone xiones es equipotencia les. En el Anexo 4 se expone resumidamente el el proceso de de tercera paesta a tierra seleccionado para CT conectados a redes de 4.2). puesto a o con el el neutro neutro
del del electrodo de con el el neutro
DE
LOS COEFICIENTES
Se plantea a cont y de
:
un caso caso senci lo en el que se
la el proceso proceso matemático matemático para la
Sean dos conductores conductores paralelos y de igual igual longitud, longitud, según el esquema esquema siguiente siguiente
Si se supon suponee que el conductor esta disipan una corriente la tensidn tensidn inducida se de la siguiente todo el el conductor conductor ,
.
El
la expresidn :
medio
inducido por el conductor conductor
Resolviendo las integrales integrales se obtiene
:
Siendo :
. i
del terreno.
,
Intensidad disipada por unidad de d e longit longitud. ud.
,
Longitud del conductor
.
Intensidad disipada por el el conductor
.
:
por infinitas esferas diferenciales diferenciales que en el punto del conductor por ,
:
sobre el conductor
,
vendrá dado por
DE
LA
PARA
DE
- 4
ANEXO1
Si se cunple el el requisito requisito de que los elemen elementos tos lineales en que se ha dividido dividid o el electrodo elect rodo son paralelos a alguno de los los ejes de un un sistema de coordenadas ficticio, pueden plantearse tres ecuaciones genéricas genéricas para la determinació determinaciónn de los correspondie correspondientes ntes a) Coeficiente Coeficiente de autoauto -inf influencia
Siendo ,
:
Longitud del elemento.
. Diámetro del elemento.
Coeficiente de influencia entre conductores paralelos.
,
-
sen sen
Coeficiente Coefic iente de influencia entre
-
-
+
-
DE
A l - 5
DE
LA
ANEXO1 DE
DE
z
X A1.3
DE
TENSIONES DE PASO Y
CONTACTO
Una vez determinada determ inada la resistencia de puesta a tierra del del electrodo, electr odo, calcularse la intensidad intensidad de defecto a tierra y por por consiguiente consig uiente la intensidad intensidad de disipa ción lineal, Ello mediante medi ante las expresiones que se detallan detalla n a continuacibn, calcular calcula r .el potencial absoluto en punto cualquiera de la superficie del terreno, c m suma de los potenciales creados por cada del electrodo. El
conocimiento conoci miento del del potencial potencial absoluto a bsoluto en un punto cualquiera, cualqu iera, permite determinar determi nar la potencial de éste y el el del electrodo de contacto en ese punto como diferencia entre el potencial (tensibn de d e defecto). La tensión de paso se calculara
diferencia de potencial entre dos puntos separados
1 m.
Para determinar el el potencial potencial absoluto creado cread o por un elemento ineal, ineal, como com o ya se ha dicho se divide el elemento en infinitas esferas diferenciales diferen ciales y se integra integra el potencial potencial creado por cada una de ellas. z
P
Y
X El
potencial creado por el elemento elemen to
en el punto P se determinará por llaa expresión siguiente dZ
Z
-
+
-
+
:
PARA
LA
DE
DE
ANEXO1
DE Ti
-
Resolviendo la integral se obtiene
:
[
EJEMPLO.
+
ELECTRODO DE TIERRA
A continuación contin uación se detallan las las fórmulas simplificadas que pueden pueden aplicarse aplicar se en el caso de que el electrodo electro do sea un
Se
que que
divide el el electrodo electro do en 4 elementos,
tomando
plano de tierr tierra. a. Para este caso se s e cumple
:
=
La Resistencia del del electrodo el ectrodo se calculara calcular a por por la fórmula
Tomando ejemplo ejempl o el elemento simplificadas :
los los
:
posibles se
con las siguientes
A 2 -
DE ELECTRODOS DE TIERRA TABLAS CON SUS PARAMETROS
CONFIGURACIONES
DE CONFIGURACIONES CONFIGURA CIONES TIPO DE
DE TIERRA
Figura
2
ANEXO 2
SUS RESPECTIVOS PARAM PARAMETROS ETROS CARACTERISTICOS
Lados en m
Cuadrado Rectángulo Rectángulo
de de de
2'0 2'0 2'0
Cuadrado
de
2'5
Rectángulo Cuadrado Rectángulo
de de de
3'0 3'0 3'0
x
Rectángulo Rectángulo Rectángulo Cuadrado
de de de de
4'0 4'0 4'0 4'0 4'0 4'0 4'0 4'0
x
Rectángulo Rectángu lo Rectángu Rect ángulo lo Rectángulo Rectángulo Cuadrado
de de de de de
5'0 5'0 5'0 5'0 5'0
x
de de de de
8'0 8'0 8'0 8'0
x
2'0 2'5 3'0
A2A2 -3 -4 A2 A2A2-5 A2-
x
2'5
-6 A2 A2-
x x
x
2'5 3'0
x
x x x
x x
x
2'5 3'0 3'5 4'0 2'5 3'0 3'0 3'5 3'5 4'0 4'0
x
Rectángulo Rectángu lo Rectángu lo Rectángulo Cuadrado Rectángu Rectángulo Rectángulo Rectángulo Rectángulo Rectángulo Rectángu Rect ángulo lo Electrodo Electrodo Electrodo Electrodo
x x x x
2'5 3'0 3'0 3'5 4'0
A2A2-28 A2A2-30
longitudinal con picas de 2 m A2 A2-32 longitudinal con picas de 4 m longitudinal con de 6 m longitudinal A2 A2 -35
Los valores que se indican en las tab as corresponden corresponde n a electrodos con picas de 14 de diá metro y conductor de cobre ddesnudo esnudo de 50 sección. secci ón. Para otros diámetros de pica y otras secciones se cciones de conductor, de los empleados en la práctica, pueden utilizarse igualmente estas tablas, ya que qu e estasmagni no afectan al conp conporta ortamien miento to del electrodo. electrodo. A efectos de se han incluido los códigos relativos a la configuración del electrodo, que hacen referencia en cada caso: caso: Para electrodos horizontales
Para picas a ineadas
e p cas
