IEEE - Gua para la Seguridad de puesta a tierra en Subestaciones de C.A.
Introduccin
(Esta introduccin no es parte del Std 80-2000 IEEE, Gua sobre Seguridad de la conexin a tierra en Subestaciones de C.A.)
Esta cuarta edicin supone la segunda revisin importante de esta gua desde su primera edicin en 1961.
Las Principales modificaciones incluyen la ampliacin de las ecuaciones para el clculo de tensiones de toque y paso para incluir a las redes en forma de L y en forma de T; la introduccin de las curvas para ayudar a determinar la divisin de corriente; modificaciones a las curvas de factor de reduccin por material de la superficie; cambios en los criterios para la seleccin de los conductores y las conexiones; informacin adicional sobre la interpretacin de la medicin de resistividad; y la discusin de los suelos de varias capas. Otros cambios y adiciones se hicieron en las reas de gas y subestaciones, las ecuaciones para el clculo de la resistencia de la malla, y de los anexos. La cuarta edicin contina construyendo sobre las bases puestas por tres grupos de trabajo anteriores: Grupo de Trabajo 56.1 AIEE y Grupos de trabajo 69.1 y 78.1. IEEE. El trabajo de preparacin de esta norma fue realizada por el Grupo de Trabajo D7 de la Subcomisin de subestaciones de distribucin y fue patrocinado por el Comit de Subestaciones de la IEEE Power Engineering Society. Esta cuarta edicin de la Std 80 IEEE est dedicada a la memoria de JG Sverak, que, a travs de sus conocimientos tcnicos y experiencia, desarrollando las ecuaciones para el clculo de tensiones de tacto y de paso y las ecuaciones de la resistencia de la malla utilizadas en la edicin de 1986 de esta gua. Su liderazgo, el humor y la perseverancia como Presidente del Grupo de Trabajo 78.1 han conducido a la ampliacin del conocimiento de puesta a tierra de subestaciones en el Std 80-1986 IEEE.
Gua IEEE para la Seguridad de puesta a tierra en Subestacin de C.A.
1.
Informacin general
1.1 mbito de aplicacin
Esta gua se centra principalmente en las subestaciones de corriente alterna al aire libre, ya sea convencional o de aislamiento gaseoso. Subestaciones de Distribucin, transmisin, y plantas de generacin estn incluidas. Con cautela, los mtodos descritos aqu son tambin aplicables a las porciones interiores de las subestaciones, o para las subestaciones que sean plenamente en el interior1
.
No se pretende cubrir los problemas de puesta a tierra propia de las subestaciones de corriente continua. Un anlisis cuantitativo de los efectos de las sobretensiones por relmpagos esta tambin ms all del alcance de esta gua.
1.2 Propsito
La intencin de esta gua es proporcionar orientacin e informacin pertinente a las prcticas de seguridad de conexin a tierra en el diseo de subestaciones de corriente alterna.
Los objetivos especficos de esta gua son
a)
b)
Establecer, como base para el diseo, los lmites de seguridad de las posibles diferencias que puedan existir en una subestacin en condiciones de falla entre los puntos que puede ser contactado por el cuerpo humano.
c)
Examinar las prcticas de puesta a tierra de la subestacin con especial referencia a la seguridad, y desarrollar criterios para un diseo seguro.
d)
Proporcionar un procedimiento para el diseo de sistemas de puesta a tierra prctico, basado en estos criterios. Desarrollar mtodos de anlisis como una ayuda en la comprensin y solucin de los problemas tpicos de gradiente.
El concepto y el uso de criterios de seguridad se describen en la clusula 1, hasta la clusula 8, los aspectos prcticos del diseo de un sistema de tierra estn cubiertas desde la clusula 9 a la 13, y los procedimientos y tcnicas de evaluacin para la evaluacin del sistema de puesta a tierra (en trminos de criterios de seguridad) se describe desde la clusula 14 a la 20. El Material de apoyo se organiza en los anexos de la A al Anexo G.
Esta gua se basa principalmente en prcticas de puesta a tierra segura para las frecuencias de energa en el rango de 50-60 Hz. Los problemas peculiares de las subestaciones de corriente continua y los efectos de sobretensiones elctricas por rayos estn fuera del alcance de esta gua. 1Obviamente, los mismos problemas de gradiente de tierra que existen en el patio de la subestacin no deben estar presentes dentro de un edificio. Esto ser cierto siempre que la superficie del piso o bien asegura un aislamiento eficaz de los potenciales de la tierra, o bien es efectivamente equivalente a una placa conductora o cerca de la red o malla que est siempre en el potencial de tierra de la subestacin, incluyendo la estructura del edificio e instalaciones fijas. Por lo tanto, incluso en una subestacin totalmente cubierta, puede ser necesario tener en cuenta algunos de los posibles peligros de los gradientes del permetro (en las entradas del edificio) y de potenciales transferidos descritos en la clusula 8. Por otra parte, en el caso de instalaciones interiores con aislamiento en gas, el efecto de las corrientes circulantes en el recinto puede ser motivo de preocupacin, como se discute en la Clusula 10.
Un sistema de puesta a tierra diseado como aqu describimos, sin embargo, presenta cierto grado de proteccin contra sobretensiones de frentes de onda empinadas que se introduzcan en la subestacin y que pasen a travs de sus electrodos de tierra.2
Otras referencias se deben consultar para obtener ms informacin sobre estos temas. 2La
mayor impedancia ofrecida frente a los aumentos repentinos de tensiones tanto aumentar la cada de tensin en los conductores de tierra a la red, como disminuir la efectividad de las partes ms distantes de la red.
En contrapartida, en gran medida es el hecho de que el cuerpo humano al parecer, puede tolerar mucho mayores magnitudes de corrientes en el caso de los aumentos repentinos por relmpagos que en el caso de corrientes a 50 Hz o 60 Hz.
1.3 Relacin con otros estndares
Los siguientes estndares ofrecen informacin
sobre aspectos especficos de puesta a tierra:
El estndar IEEE 81-19833
y el estndar IEEE 81.2-1991 prevn procedimientos para la medicin de la resistividad del terreno, la resistencia del sistema de tierra instalada, los gradientes de la superficie, y la continuidad de los conductores de la malla.
El estndar IEEE 142-1991, tambin conocido como el Libro Verde de la IEEE, cubre algunos de los aspectos prcticos de puesta a tierra, como tierra de equipo, enrutamiento de cables para evitar las corrientes inducidas por tierra, cubierta del cable a tierra, instalaciones estticas y proteccin contra rayos, cubierta, etc.
El estndar IEEE 367-1996 proporciona una explicacin detallada del fenmeno corriente asimtrica y de la divisin de la corriente de falla, que en gran medida, se da aqu en paralelo. Por supuesto, el lector debe ser consciente de que la subida del potencial de tierra, calculada a los efectos de la proteccin de las telecomunicaciones y aplicaciones de transmisin se basa en un conjunto diferente de suposiciones relativas a la mxima corriente de la malla, en comparacin con los utilizados para los fines de esta gua.
El estndar IEEE 665-1995 proporciona una explicacin detallada de las prcticas de toma de tierra en estaciones de generacin.
El estndar IEEE 837-1989 establece pruebas y criterios para seleccionar las conexiones que se utilizarn en el sistema de puesta a tierra que respondern a las preocupaciones descritas en la Clusula 11.
2. Referencias
Esta gua debe utilizarse en conjuncin con las siguientes publicaciones. Cuando las siguientes normas sean sustituidas por una revisin aprobada, la revisin se aplicar.
Comit Acreditado de Normas C2-1997, Cdigo Nacional de Seguridad Elctrica (NESC).
4
Estndar IEEE 81-1983, Gua de la IEEE para la medicin de la resistividad del terreno, Impedancia de tierra y los potenciales de superficie de la Tierra de un Sistema a Tierra (Parte 1).5 Estndar IEEE 81.2-1992, Gua de la IEEE para la medicin de Sistemas de puesta a tierra
Extendido o Interconectados (Parte 2). 3La informacin sobre las referencias se pueden encontrar en la Clusula 2. 4 El NESC est disponible en el Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).
5Las publicaciones IEEE estn disponibles en el Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos, 445 Hoes Lane, PO Box 1331, Piscataway, NJ 08855-1331, EE.UU. (http://standards.ieee.org/).
Estndar IEEE 142-1991, IEEE prctica recomendada de puesta a tierra de sistemas de potencia industrial y comercial (IEEE Libro Verde).
Estndar IEEE 367-1996, IEEE Prctica recomendada para determinar subida de potencial de tierra y tensin inducida de una falla de energa en Subestaciones.
Estndar IEEE 487-1992, IEEE Prctica recomendada para la Proteccin de los cables de la lnea e instalaciones de comunicacin al servicio de las centrales de electricidad.
Estndar IEEE 525-1992 (Reaff 1999), Gua de IEEE para el diseo e instalacin de sistemas de cable en las subestaciones.
Estndar IEEE 665-1995, IEEE Gua para la puesta a tierra de estacin de Generacin.
Estndar IEEE 837-1989 (Reaff 1996), Norma IEEE para la calificacin de Conexiones Permanentes empleadas en puesta a tierra de subestaciones.
Estndar
IEEE 1100-1999, IEEE prctica recomendada para la alimentacin y conexin a tierra de equipos electrnicos (Libro esmeralda IEEE).
Estndar IEEE C37.122-1993, Norma IEEE para gas y subestaciones. Estndar
IEEE C37.122.1-1993, Gua de IEEE para gas y subestaciones.
3. Definiciones
La mayora de las definiciones que figuran en este documento pertenecen exclusivamente a la aplicacin de esta gua. No se har ms referencias a cualquiera de las definiciones que aparecen abajo, salvo que sea necesario para mayor claridad. Las dems definiciones se colocan en el texto de determinadas clusulas. Para las definiciones adicionales se refieren a El Diccionario de trminos estndar IEEE elctricos y electrnicos [B86] .
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3.1 Electrodo de tierra auxiliar:
Un electrodo de tierra con un diseo determinado o limitaciones de funcionamiento. Su principal funcin no puede ser otra que la conduccin de la baja corriente de falla a tierra en la tierra.
3.2 Cerramiento Continuo: Un bus cerrado en el que las secciones consecutivas de alojamiento a lo largo del conductor de la misma fase estn unidos entre s para proporcionar un camino elctricamente contino de corriente a lo largo del recinto entero. Empalmes, conectando los recintos de otra fase, se realiza exclusivamente en las extremidades de la instalacin y en algunos puntos intermedios seleccionados. 3.3 Desplazamiento DC: Diferencia entre la onda de corriente simtrica y la real onda de corriente durante una condicin transitoria de un sistema de potencia. Matemticamente, la corriente de falla real se puede dividir en dos partes, una componente alterna simtrica y una unidireccional (dc). La componente unidireccional puede ser de cualquier polaridad, pero no va a cambiar la polaridad, y disminuir en alguna tasa predeterminada. 6 Los nmeros entre parntesis corresponden a los de la bibliografa en el anexo A
3.4 Factor de Decremento: Un factor de ajuste se utiliza junto con el parmetro corriente de falla simtrica de tierra en los clculos de puesta a tierra orientados a la seguridad. Se determina el equivalente efectivo de la onda de corriente asimtrica para una duracin determinada falla, tf, lo que representa el efecto de la primera desviacin y su atenuacin en la falla. 3.5 Corriente de Falla Asimtrica Efectiva:
El valor efectivo de la onda de corriente asimtrica, integrada en el intervalo de tiempo de fallo (ver Figura 1).
IF = Df If
(1)
Dnde: IF es la corriente de falla asimtrica en A If es la corriente de falla de tierra RMS simtrica en A Df
es el factor de disminucin
Figura 1 - Relacin entre los valores reales de corriente de falla y los valores de If, If, y Df para una falla de duracin tf.
3.6 Corrientes Cerradas: Las corrientes que resultan de las tensiones inducidas
en la caja metlica por la corriente (s) que fluye en el conductor adjunto (s).
(2)
3.7 Factor de Divisin de Corriente de Falla: Un factor que representa la inversa de una relacin simtrica de la falla de corriente a la parte de la corriente que fluye entre la red de puesta a tierra y la tierra circundante.
Dnde Sf es el factor de divisin de corriente de falla Ig es el valor eficaz de la corriente simtrica en la malla en A I0
es la corriente de falla de secuencia cero en A
NOTA-En realidad, el factor de divisin de corriente podra cambiar durante la duracin de la falla, sobre la base de las tasas de atenuacin variable de las contribuciones a la falla y la secuencia de operacin del dispositivo. Sin embargo, para efectos del clculo el valor de diseo de la corriente mxima y corriente simtrica de la malla por definicin de corriente simtrica y corriente mxima,
la relacin se supone constante durante toda la duracin de una falla determinada.
3.8 Subestacin de Aislamiento a Gas (GIS): Un multicomponente de montaje compacto, introducido en una caja metlica conectada a tierra en el que el principal medio de aislamiento es un gas, y que normalmente consiste en buses, interruptores y equipos asociados (subconjuntos).
3.9 Tierra: Conexin conductora, intencional o accidental, por el cual un circuito elctrico o
equipo est conectado a la tierra o a algn cuerpo conductor con extensin relativamente grande que sirve en su lugar de la tierra.
3.10 Aterrado: Un sistema, circuito, o aparato provisto de una conexin a tierra a los efectos de establecer un circuito de retorno a tierra y para mantener su potencial en aproximadamente el potencial de la tierra.
3.11 Corriente de Tierra: Una corriente que fluye hacia o fuera de la tierra o su equivalente que acta como una tierra.
3.12 Electrodo a Tierra: Un conductor incrustado en la tierra y se usa para recoger la corriente a tierra o de disipacin de la corriente de tierra en la tierra.
3.13 Malla de Tierra: Una placa metlica slida o un sistema de conductores desnudos muy prximos entre s que estn conectados y colocan a menudo en aguas poco profundas
por encima de una malla de tierra o en otra parte a la superficie terrestre, a fin de obtener una medida adicional de proteccin minimizando el peligro de la exposicin a altas tensiones de paso o contacto en un rea de operacin crtica o lugares que se utilizan con frecuencia por las personas. Fundamentada en las rejillas de metal, colocadas en o por encima de la superficie del suelo, o de malla de alambre colocada directamente debajo de la superficie del material, son formas comunes de una malla de tierra.
3.14 Margen de Potencial de Tierra (GPR): Margen de potencial de tierra (GPR): El mximo potencial elctrico que la malla de puesta a tierra de una subestacin puede alcanzar en relacin a un punto de conexin a tierra lejana que se supone que est al potencial de tierra
remota. Esta tensin, GPR, es igual a la corriente mxima de la malla por la resistencia de la malla.
NOTA-En condiciones normales, el equipo de tierra opera a cerca de cero potencial de tierra. Es decir, el potencial de una toma de tierra es casi idntico al potencial de tierra a distancia. Durante una falla a tierra la parte de corriente de falla que se conduce por una rejilla de puesta a tierra en la subestacin a la tierra causa el aumento del potencial de la red con respecto a la tierra a distancia.
3.15 Circuito de Retorno a Tierra: Un circuito en el que la tierra o un cuerpo conductor equivalente se utiliza para completar el circuito y permite la circulacin de corriente desde o hacia su fuente de corriente.
3.16 Mallado de Tierra: Un sistema de electrodos horizontales a tierra que consiste en una serie de conductores desnudos enterrados en la tierra interconectados, proporcionando una base comn de tierra para los dispositivos elctricos o estructuras metlicas, por lo general en una ubicacin especfica.
NOTA - Redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra tambin son eficaces en el control de la superficie de gradientes de potencial. Una red tpica por lo general se complementa con una serie de barras de tierra y puede ser conectado a ms electrodos de tierras auxiliares masa para reducir su resistencia con respecto a la tierra a distancia.
3.17 Sistema de Tierra: Comprende todas las instalaciones interconectadas de puesta a tierra en un rea especfica.
3.18 Barras Principales de Tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexin de todos los componentes metlicos designados de la subestacin de aislamiento a gas (GIS) al sistema de puesta a tierra para una subestacin. 3.19 Mxima Corriente de Malla:
(3) Un valor de diseo de la corriente mxima de la malla, que se define de la siguiente manera
Donde IG es la corriente mxima de la malla en A. Df es el factor de disminucin para toda la duracin tf de la falla, en seg. Ig
es el valor eficaz de la corriente simtrica de la malla en A
3.20 Tensin de Malla: La mxima tensin de contacto dentro de una malla de una malla de tierra.
3.21 Tensin de Contacto Metal-Metal: La diferencia de potencial entre los objetos metlicos o estructuras dentro del sitio de la subestacin
que pueden ser puenteado por contacto directo mano a mano o mano a los pies.
NOTA - El voltaje de toque metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, la tensin de contacto metal-metal entre objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra y objetos metlicos internos en la subestacin, tal como una cerca aislada, pero no en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser sustanciales. En el caso de una subestacin aislada por gas (GIS), la tensin de
contacto metal a metal entre los objetos metlicos o estructuras en condiciones de servidumbre a la malla de tierra pueden ser considerables, debido a fallas internas o las corrientes inducidas en los recintos.
En una subestacin convencional, la peor tensin de contacto es por lo general encontrada en la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de distancia de alcance mximo. Sin embargo, en el caso de contacto metal a metal de mano a mano o de mano a los pies, en ambas situaciones se debe investigar para llegar a las condiciones peores posibles. La figura 12 y Figura 13 ilustran estas situaciones para subestaciones con aislamiento al aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en los GIS.
3.22 Cerramiento Discontinuo: Una recinto de bus con las secciones consecutivas del alojamiento del mismo conductor de fase aislada elctricamente (o aislados entre s), de modo que no puede fluir la corriente ms all de cada seccin de la caja.
3.23 Electrodos de Tierra Primaria: Un electrodo de tierra especficamente diseado o adaptado para descargar corriente de la falla a tierra a la tierra, a menudo en un patrn de descarga especfica, segn sea necesario (o llamado implcitamente) por el diseo del sistema de puesta a tierra.
3.24 Tensin de Paso: La diferencia de potencial de superficie que experimenta una persona
dando un paso de una distancia de 1 m con los pies sin tocar ningn objeto a tierra.
3.25 Reactancia Subtransitoria: Reactancia de un generador en el inicio de una falla. Esta reactancia se utiliza en clculos de la corriente de falla inicial simtrica. La corriente con