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MANUAL DE DISEO, CONSTRUCCION YPRIVATE
MANTENIMIENTO DE SISTEMAS DE
PUESTA A TIERRA PARA
SUBESTACIONES
Instituto Costarricense de Electricidad
Mayo 1996
INDICE1.INTRODUCCION
1.1 Presentacin
8
1.2 Definiciones
9
2.SELECCION DE CONDUCTORES Y UNIONES
2.1 Conductores: Caractersticas y tamaos
12
2.2 Corrosin galvnica
13
2.3 Redes de Aterrizamiento
13
2.3.1 Malla de tierra
13
2.3.2 Cables de Conexin (bajantes)
14
2.4 Instalacin de los cables de tierra
15
2.4.1 Aspectos Generales
15
2.4.2 Cables enterrados
16
2.4.3 Cables sobre el nivel del suelo
20
2.4.4 Cables en canastas
21
2.4.5 Cables en ductos
22
2.5 Conexiones y terminales para cables bajantes
23
2.5.1 Aspectos Generales
23
2.5.2 Caractersticas de los conectores
y terminales
23
2.6 Sistema de electrodos de aterrizamiento
25
2.6.1 Aspectos Generales
25
2.6.2 Profundidad de los electrodos
25
2.6.3 Electrodos de aterrizamiento indirectos
26
2.6.4 Planeamiento del sistema de electrodos
26
2.6.5 Localizacin del sistema de electrodos
26
2.6.6 Caja de registro del sistema de electrodos
27
3.ATERRIZAMIENTO DE EQUIPO PARA SUBESTACIONES
3.1 Transformadores de potencia
28
3.1.1 Cuba del transformador
28
3.1.2 Neutros de transformador
28
3.1.2.1 Slidamente aterrizado
3.1.2.2 Aterrizamiento mediante banco
de resistencias
3.1.3 Otros accesorios del transformador
29
3.2 Pararrayos
29
3.3 Mecanismos de operacin
30
3.4 Transformadores de instrumentos
31
3.4.1 Cajas de conexin
3.5 Seccionadoras con cuchilla de puesta a tierra
32
3.6 Cables de potencia aislados y
con pantalla metlica
33
3.7 Equipo en general
33
3.8 Tableros de distribucin, conexin y otros
34
3.9 Subestaciones compartimentadas y paneles de
control y proteccin
34
3.9.1 Aspectos Generales
34
3.9.2 Subestaciones compartimentadas
35
3.9.3 Paneles de equipo para control y proteccin
3.9.3.1 Barra de puesta a tierra
(Sala de Control)
35
3.9.3.2 Equipo electrnico sensible
36
3.9.3.3 Equipo de comunicacin
37
3.9.4 Otras partes metlicas independientes
38
3.10 Conexin de plantas de generacin
y edificios anexos
38
4.INSTALACIONES DE BAJO VOLTAJE
4.1 Transformadores de servicio propio y tableros
de distribucin de corriente alterna
39
4.2 Instalaciones para iluminacin exterior
41
4.3 Cables de distribucin de bajo voltaje
41
5.MALLA PERIMETRAL, TORRES Y ANCLAJES DE POSTES
5.1 Malla perimetral
42
5.1.1 Postes
42
5.1.2 Malla tipo Cicln
42
5.1.3 Portones
42
5.1.4 Cables de puesta a tierra fuera
de la malla perimetral y vas
de acceso
43
5.2 Torres y pararrayos de aguja e hilo guarda
de la subestacin
44
5.3 Anclajes de postes para lneas areas
47
6.MISCELANEOS
6.1 Tubera para agua
48
6.2 Tuberas para aire comprimido,
aceite o combustible
48
6.3 Tuberas para extincin de incendios
48
6.4 Rieles para el movimiento de los transformadores
48
7.CONSIDERACIONES EN EL DISEYO DEL SISTEMA DE ATERRIZAMIENTO
7.1 Conceptos
7.1.1 Dimensionamiento trmico del cable
49
7.1.2 Voltajes de paso y toque mximos
permisibles
49
7.1.3 Resistencia de la malla de tierra
50
7.1.4 Resistencia de las lneas aJreas
52
7.1.5 Corriente de la malla
52
7.1.6 Elevacin de potencial de la red
53
7.1.7 Voltaje de la malla
53
7.1.8 Voltaje de paso mximo
54
7.2 Procedimiento para el diseo
54
8.PRUEBAS AL SISTEMA DE ATERRIZAMIENTO EN SUBESTACIONES
SOLIDAMENTE ATERRIZADAS
8.1 Aspectos Generales
56
8.1.1 Mtodos de medicin
56
8.1.2 Definiciones
56
8.1.3 Voltajes de toque y de paso
57
8.1.4 Mtodo de medida con altas corrientes
58
8.2 Medicin por el mtodo de altas corrientes
8.2.1 Equipos
59
8.2.2 Capacitores para compensacin
59
8.2.3 Seguridad del personal
59
8.2.4 Circuito de prueba
60
8.2.5 Medicin de la resistencia
61
8.2.6 Voltajes de paso y toque
62
8.2.7 Mejoramiento de la red de tierra
63
8.2.8 Ejemplo de la aplicacin del mtodo
63
8.3 Mtodo del puente de medicin
8.3.1 Medicin de la resistividad del suelo
65
8.3.2 Grupos de varillas conectadas en paralelo
66
8.3.3 Medicin de la resistencia a tierra
66
8.4 Medicin de la continuidad por el mtodo
de corrientes altas
70
9.INSPECCION DE OBRAS NUEVAS Y MANTENIMIENTO A LOS SISTEMAS DE
PUESTA A TIERRA
9.1 Inspeccin y pruebas de aceptacin de obras
72
nuevas y ampliaciones
8.6 Mantenimiento a los sistemas de puesta a tierra
en subestaciones
73
10.PUESTA A TIERRA DURANTE LAS LABORES DE MANTENIMIENTO
10.1 Medidas antes de iniciar los trabajos
74
10.2 Prueba de voltaje
74
10.3 Herramientas de puesta a tierra
76
10.4 Puesta a tierra de diferentes equipos
10.4.1 Generalidades
77
10.4.2 Puesta a tierra de equipos de maniobra
78
10.4.3 Transformadores
78
10.4.4 Transformadores de potencial
79
10.4.5 Dispositivos de conexin, interruptores
seccionadoras, fusibles
80
10.4.6 Condensadores
81
10.4.7 Reactores y autotransformadores
82
10.4.8 Generador
82
10.4.9 Motor
83
10.4.10 Convertidor esttico de corriente
83
10.5 Entradas de lneas
83
10.6 Puesta a tierra de equipos voluminosos
84
APENDICES1.Clculo del calibre del conductor
para la malla de tierra
86
2.Especificaciones tcnicas para los
electrodos de puesta a tierra
88
3.Pruebas a los conectores de compresin
92
BIBLIOGRAFIA
95
PRESENTACIONPRIVATE
Esta gua la prepar una Comisin integrada por personal de las
dependencias de Diseo, Construccin y Mantenimiento de Subestaciones
del ICE.
El trabajo se inici en 1994 como resultado de una asesora en el
rea de puesta a tierra, financiada por una donacin de la Agencia
Sueca BITS.
Los miembros de la Comisin que participaron de forma continua en
la elaboracin de esta gua fueron:
Luis Alfaro S.
- Mantenimiento de Subestaciones
Guillermo Caldern V.- Obras Electromecnicas (Construccin)
Manuel E. Chacn M.
- Mantenimiento de Energa
Miguel Gutirrez R.
- Mantenimiento de Subestaciones
Toms Gutirrez R.
- Mantenimiento de Subestaciones
Armando Muoz E.
- Mantenimiento de Subestaciones
Adicionalmente se cont con la colaboracin de:
Eduardo Ortiz
- Mantenimiento de Transmisin
William Ramrez
- Obras Electromecnicas (Construccin)
Gilberto Morales
- Mantenimiento de Transmisin
Eduardo Garca A.
- Subestaciones y Lneas de Transmisin (Diseo)
1. INTRODUCCION
1.1 PresentacinDurante su existencia, el ICE ha construido
subestaciones por todo el territorio nacional. Sin embargo, debido
a la movilidad del personal y a que la experiencia de mantenimiento
no se ha realimentado de manera adecuada, se carece de una
normalizacin que permita emplear los mejores materiales, efectuar
diseos ms econmicos, y reducir la diversidad de elementos.
El propsito de esta gua es proveer informacin sobre los
materiales y procedimientos que histricamente se han empleado en el
diseo y construccin de sistemas de puesta a tierra para
subestaciones. Al respecto, se ha contado con tres grandes fuentes
de informacin:
-El Estndar IEEE-80 de 1986 - Puesta a tierra para Subestaciones
de Corriente Alterna
-El Manual para Planeamiento y Diseo de Sistemas de Puesta a
Tierra de la AF ELTEKNIK AB de Suecia, y material complementario
facilitado en la Asesora Sueca
-La experiencia acumulada en la construccin y mantenimiento de
las mallas de tierra de las subestaciones
La gua se ha dividido en diez captulos, organizados de manera
que la consulta de algn tema particular se haga de manera fcil y
rpida.
En el primer captulo se presenta una serie de conceptos y
definiciones bsicas que se emplean a lo largo de todo el texto.
El segundo captulo presenta un conjunto de normas generales que
se deben seguir en los sistemas de puesta a tierra de
subestaciones: calibre del cable, tipos de conectores y terminales,
detalles de la malla de tierra.
El Captulo 3 especifica la manera en que se debe efectuar la
puesta a tierra de los diferentes equipos de una subestacin, tanto
los de potencia como los de control.
En el cuarto captulo se dan las normas que se deben seguir en lo
que respecta a la puesta a tierra de las instalaciones de bajo
voltaje (iluminacin, tableros de distribucin de C.A., etc)
En los captulos 5 y 6 se trata el aterrizamiento de la malla
perimetral y otras estructuras metlicas
que se ubican dentro de la subestacin.
El diseo de la malla de tierra, segn el mtodo de la IEEE, se
presenta en el Captulo 7, y en el siguiente se especifican los
procedimientos para la medicin de las resistencia de un sistema de
aterrizamiento. En el Captulo 9 se indican las mediciones que se
deben hacer para probar una malla de tierra nueva, y el control
peridico que se debe llevar dentro de las labores de
mantenimiento.
Finalmente, en el Captulo 10 se presentan una serie de normas de
seguridad que se deben seguir durante las labores de mantenimiento,
concretamente en lo que respecta a la puesta a tierra.
1.2 DefinicionesATERRIZAR:
Conexin de un equipo, estructura metlica o cable al sistema de
malla de tierra.
BLINDAJE:
Chaqueta metlica que rodea un cable, un conductor o un grupo de
conductores. Puede ser una malla tejida o una placa slida de cobre
o algn otro conductor.
CABLE O CONDUCTOR DE TIERRA:Conductor que normalmente est
conectado al sistema de aterrizamiento.
CONDUCTOR AUXILIAR:
Conductor que est en contacto con el blindaje de metal de un
cable y sirve como tierra de proteccin para el mismo.
CONDUCTOR NEUTRO:
Un conductor normalmente conectado al punto neutro del sistema,
y que normalmente conduce corriente.
CONECTOR DE ATERRIZAMIENTO:Accesorio para conectar un equipo o
estructura de manera temporal o permanente al sistema de
aterrizamiento.
CONTACTO DE TIERRA:
Conexin de una parte conductora expuesta al sistema de puesta a
tierra.
DISPOSITIVO TEMPORAL
DE ATERRIZAMIENTO:
Dispositivo que sirve para aterrizar temporalmente un equipo,
especialmente cuando se deben ejecutar labores de
mantenimiento.
ELECTRODOS DE ATERRIZAMIENTO:Conductor enterrado que sirve como
puesta a tierra para un equipo. Generalmente puede ser una varilla
de cobre u otro metal enterrado en una rea de buena resistividad.
Puede estar interconectado a un sistema de aterrizamiento, formado
por la malla de tierra y grupos de electrodos.
ELECTRODOS DE ATERRIZAMIENTO
INDIRECTOS:
Cualquier estructura, cable, tubera, o armadura metlica que se
interconecta al sistema de aterrizamiento con el objeto de reducir
su resistencia.
ELEVACION DE POTENCIAL
DE LA RED:
Consiste en la diferencia de potencial entre el sistema de
aterrizamiento y un punto remoto, considerado a potencial cero, que
ocurre cuando se drena una corriente de falla o de descarga por la
red.
EQUIPOTENCIAL:
Aquellos puntos que estn al mismo potencial elctrico con
respecto a una referencia comn.
EXPUESTO:
Que est al alcance intencional o accidental de una persona.
MALLA DE TIERRA:
Consiste en un tejido de cables de cobre que cubren,
generalmente de manera cuadriculada, el terreno de la subestacin.
Su objetivo es lograr una distribucin equipotencial en toda el rea
durante una falla o descarga.
NEUTRO:
Punto comn de un sistema o equipo elctrico en el que, en
operacin normal, no hay diferencia de potencial con respecto a
tierra.
PUESTA A TIERRA:
Conexin de un equipo o estructura al sistema de
aterrizamiento.
PUNTO DE ATERRIZAMIENTO:
Punto dispuesto en un equipo o estructura para conectar la
puesta a tierra.
RESISTENCIA A TIERRA:
Es la divisin entre el voltaje, medido entre el punto en cuestin
y un electrodo distante, y la corriente de baja frecuencia
inyectada en el sistema a prueba.
SISTEMA DE PUESTA A TIERRA:Consiste de la unin de la malla de
tierra, electrodos de aterrizamiento, y dems elementos metlicos
interconectados para reducir la resistencia de a tierra del
sistema, y as disminuir la elevacin de potencial de la red durante
una falla o descarga elctrica.
TIERRA:
Punto comn que se considera como potencial de referencia del
sistema.
TIERRA DE LOS EQUIPOS:
Generalmente una carcaza o cubierta metlica que posee el equipo
con el objeto de conectarla directamente a la tierra del
sistema.
TIERRA DE OPERACION:
Aterrizamiento que se requiere en una de las partes de un
circuito de corriente para su operacin, por ejemplo, en un
devanadado de alto voltaje de un transformador de potencia.
TIERRA DE REFERENCIA:
Punto ubicado geogrficamente lejos del sitio de medicin, y que
se considera a un potencial elctrico cero.
2-SELECCION DE CONDUCTORES Y UNIDADESPRIVATE
2.1CONDUCTORES CARACTERISTICAS Y DIMENSIONES
En la construccin de los sistemas de puesta a tierra de las
subestaciones, sin importar el nivel de voltaje, se utilizar cable
de cobre desnudo de 107 mm2 (4/0 AWG). En el Apndice #1 se muestra
el clculo de este calibre con base en el esfuerzo trmico, sin
embargo, la eleccin de cable 4/0 considera el esfuerzo mecnico que
experimenta el cable durante una falla a tierra.
Tanto los conductores de la malla de tierra como los conductores
que bajan de los equipos a la malla utilizarn el mismo calibre de
107 mm2, a fin de reducir los costos involucrados en la adquisicin
de cables de diferente calibre.
Los neutros de generadores, transformadores, reactores y bancos
de capacitores, tambin utilizarn un calibre de 107mm2, pero aislado
de las estructuras metlicas adyacentes, de tal forma que las
corrientes de falla drenen directamente a la malla de tierra.
6444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444447
5 CONDUCTORES DE COBRE EN LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA 5
:4444444;44444444444444444444444;444444444444444;4444444444444444444444444444444444444444>444444444444444>44444444L4444444444444444444444444444444>444444444444444>44444444P44444444
