Calculo Y Diseños

4 - CÁLCULOS DE DISEÑO (continuación)

4.10 - RED DE TIERRA - FINALIDAD

La red tierra tiene la finalidad de limitar las tensiones de paso y de contacto que se presentan en una estación tanto en su área interna como en su contorno.

COMENTARIO

Cuando la red de tierra drena una corriente de falla se forma un campo eléctrico y en la superficie del terreno se presentan distintas tensiones entre distintos puntos (figura 4.14).

DEFINICIONES

La diferencia de potencial que se presenta entre dos puntos del suelo separados por un paso es la que se llama tensión de paso (figura 4.15).

Tensión de contacto es la que se presenta entre una superficie metálica, conectada a la red de tierra, y un punto del terreno desde el cual se puede tocar dicha superficie (figura 4.15).

Tensión transferida es aquella "llevada" por objetos metálicos hasta eventualmente fuera del área cubierta por la red de tierra.

COMENTARIO

La obra eléctrica está construida sobre el suelo y en casos de fallas la corriente es drenada al suelo conductor. Se forma un campo de corrientes y de superficies equipotenciales.

HIPÓTESIS SIMPLIFICATIVA

Consideramos que el suelo es un medio de resistencia constante, relativamente elevada respecto de los metales.

DISEÑO BÁSICO

Si sobre el suelo se extendiera una capa metálica, chapa, se lograrían limitar las tensiones de paso y de contacto a valores mínimos.

Sin embargo, la corriente a drenar debería pasar de la chapa al suelo, y en la periferia de la chapa se presentaría un gradiente y se observarían la presencia de tensiones de paso.

Si desde el suelo natural no se alcanzan los objetos que están sobre la chapa, no se tendrán tensiones de contacto.

Si en lugar de una chapa, solución irrealizable, se hace una red, se presentarán también tensiones de paso y de contacto dentro de la red.

PRINCIPIOS

Si el mallado es suficiente denso las tensiones de paso (en su interior) y contacto serán mínimas.

Se puede disminuir la densidad del mallado, hasta que las tensiones alcancen el límite admisible.

Todos los elementos que pueden presentar tensiones de contacto deben ser conectados a la red de tierra para controlar esta tensión.

FÓRMULAS UTILIZADAS

De estudios realizados se han propuesto distintas fórmulas para determinar los parámetros característicos de la red de tierra.

De la bibliografía se han extraído las fórmulas (4.33), (4.34) y formula (4.35).

Las tensiones características de la red están dadas por las fórmula (4.36) y fórmulas (4.37) y (4.38) , respectivamente, tensión de malla, tensión de paso y tensión de contacto.

La esquematización mas simple de la red de tierra es con barras (que llamaremos principales) en dos direcciones ortogonales, estas barras están enterradas y presentan cierta cantidad de intersecciones (cruces X o derivaciones T) donde se unen con adecuados morsetos o soldadura.

Cada elemento a conectar a tierra implica una conexión (a las barras principales y que llamaremos derivación) de cierta longitud, el elemento se puede conectar con una o dos derivaciones.

La longitud de la derivación en parte se encuentra enterrada, y luego sube a conectarse al elemento que interesa.

Al computar el total de conductores que drenan corriente al suelo, se consideran los principales, y la parte enterrada de las derivaciones.

CRITERIOS

En los cálculos de redes de tierra se utilizan muchas fórmulas simplificadas, que solo permiten conocer el orden de magnitud de los parámetros que caracterizan la red de tierra.

Pero aun cuando se utilizan los mejores modelos, la precisión esta limitada por la gran incertidumbre de ciertos datos.

Es fundamental durante la construcción de la red de tierra realizar mediciones que permitan detectar que el comportamiento de la red coincida con el previsto.

Con la red construida se deben determinar las tensiones características en los puntos críticos e introducir las correcciones que sean necesarias para lograr tensiones de paso, de contacto y transferidas que no superen los límites de seguridad.

A tal fin vale la pena notar que la resistencia total de la puesta a tierra no es un valor fundamental en la definición de su comportamiento.

4.11 - PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA RED DE TIERRA - RESISTIVIDAD DEL SUELO

La resistividad del terreno es un dato básico, en general puede determinarse al momento del estudio de suelos que se realiza para el proyecto de las fundaciones.

El objeto es conocer la resistividad del terreno con el fin de determinar la resistencia de la puesta a tierra de la estación eléctrica y los potenciales de paso y de contacto en el área, a través de cálculos dimensionantes y de verificación.

MEDICIÓN DE RESISTIVIDAD

En general el suelo no es homogéneo, y a veces se observan estratos (capas) de distinto valor de resistividad por lo que es necesario lograr un valor (o un par de valores) representativos de estas características para los cálculos.

MEDICIONES A REALIZAR

El área a medir se cubre con varios puntos (9 a 25) distribuidos con cierto criterio, en dichos puntos se harán mediciones.

Para cada punto se realizan mediciones en dos direcciones ortogonales, y a distintas profundidades aparentes (5, 10, 20, 50 y mas m).

Para medir se utiliza, frecuentemente, el método de las cuatro jabalinas (espaciadas), con el que se obtienen valores de resistencia media del suelo para cada profundidad (distancia entre jabalinas).

INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA

Las mediciones se complementan con otra información que ayude a la interpretación correcta de los resultados.

Es importante incluir una descripción del método de medición, eventualmente la parte de manual de instrucciones del instrumento que ayude a entender los resultados (si necesario).

Además es útil una descripción del tipo de terreno obtenida por observación directa, e información descriptiva de la estratificación si se tuvieran datos de perforaciones o excavaciones.

TRATAMIENTO DE RESULTADOS

Con los valores obtenidos de las mediciones y la información complementaria se trata de realizar una caracterización del suelo resumiendo los resultados en un único valor si puede considerarse el terreno homogéneo, o en un par de valores si se considera valido el modelo de dos capas.

Se determinan así la resistividad superficial y profunda, la resistividad superficial afecta a las tensiones características y la componente de resistencia que depende de la longitud de conductor enterrado (ver formula 4.35).

La resistividad profunda determina la componente de resistencia que dependen de la superficie cubierta por la red (ver formula 4.35).

La superficie que la red debe cubrir es como mínimo la que comprende el área de la estación y sus edificios, hasta unos 5 a 6m. de distancia de ellos, si es posible.

CAPA SUPERFICIAL

En ciertos casos se recubre el área de la estación con una capa superficial de piedra partida o canto rodado sin aglomerante de resistividad mucho mas elevada que el suelo natural que cubre.

Esta capa superficial es de pequeño espesor 10 30 cm, y sus características de resistividad y espesor deben mantenerse en el tiempo para poder garantizar su efectividad.

La influencia de esta capa es notada en las corrientes que circulan por el cuerpo sometido a tensiones de paso y de contacto, ya que su resistencia se incrementa con las que corresponden al dispersor de los pies sobre esta capa.

4.11 - CORRIENTE A DRENAR

Una falla trifásica, si bien puede afectar los conductores de la red de tierra, no drena corriente al suelo (tampoco si bifásica aislada).

Se presenta la necesidad de drenar corriente al suelo cuando ocurre una falla monofásica a tierra (figura 4.16) o bifásica con tierra.

Aún así no toda la corriente de falla a tierra es drenada por la red al suelo, parte de esta corriente es conducida fuera de la red de tierra por los cables de guardia de las líneas aéreas ó los cables de tierra que acompañan a los cables enterrados; o eventualmente, sus armaduras si están en contacto directo con la tierra o puestas a tierra en otra estación.

Lógicamente para determinar esta repartición de corriente, se debe conocer el valor de la resistencia de puesta a tierra de la red, y varios parámetros de las líneas y/o cables.

El cálculo debe repetirse para encontrar las condiciones mas desfavorables en cada caso. Se deben calcular las corrientes de cortocircuito a tierra que corresponden a fallas en distintos lugares y condiciones y encontrado el valor mas desfavorable utilizarlo en el dimensionamiento de la red.

DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE ENTRE DISPERSORES EN PARALELO

La primera aproximación, utilizada en alguna bibliografía fue aceptar una distribución en corriente continua, ya que la resistencia de la estación, principal elemento en el que circula la corriente de tierra se considera efectivamente una resistencia pura, sin reactancia.

El error de esta adopción es no considerar especialmente los acoples inductivos entre conductores en los que circulan corrientes de falla y cables de guardia.

Se deben analizar los parámetros del hexapolo que corresponde a un tramo de línea representada por un conductor, un cable de guardia, una torre y el suelo, un esquema completo tiene impedancias propias de conductor, guardia, y tierra y tres mutuas, conductor guardia, guardia tierra, conductor tierra.

Al estudiar el campo de corriente en el suelo de acuerdo

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