10 - LA SEGURIDAD Y LA INTERFERENCIA
ing. Alfredo Rifaldi - ing. Norberto I. Sirabonian
Esta obra tiene por objeto definir una superficie equipotencial en el suelo de la estación.
La razón por la que se construye la red de tierra es seguridad, se estudia el campo eléctrico y la corriente en el suelo, se analiza la distribución de corriente, las tensiones inducidas.
Se busca la forma natural de la red, son necesarios datos del terreno, y el valor de la corriente a drenar; se dispone de fórmulas simplificadas de evaluación, y modelos complejos de verificación, modelos físicos (cuba electrolítica), y modelos matemáticos.
La red debe cubrir un área cuyo perímetro debe tener forma de polígono convexo, formas rebuscadas de la red de tierra deben ser evitadas, su forma debe ser sencilla.
Se realiza con cables enterrados a 0.5-1.0 m de profundidad, formando una cuadrícula de cierto mallado según las dos direcciones principales.
Los cables de la red de tierra deben ser tendidos para facilitar la conexión a tierra de todos los soportes, se buscan recorridos rectos que no choquen con las fundaciones.
En el proyecto primero se buscan los recorridos naturales, de manera de facilitar la realización de las conexiones a la red de tierra que se esta gestando, y luego se aumenta el mallado en lo necesario y suficiente.
La red de tierra se rodea con un cable, que fija la forma del perímetro, y de alguna manera genera una línea equipotencial perimetral de la estación.
Deben evitarse las puntas, la forma del perímetro debe ser redondeada, y ser suficientemente exterior a todos los puntos que deban ser puestos a tierra.
Con la forma se busca de que el potencial varíe con suavidad, por eso deben evitarse formas con puntas, o derivaciones que salgan del perímetro.
La resistencia de la tierra, y los potenciales de paso y contacto se evalúan en primera aproximación con fórmulas muy simples, y luego si se justifica se repite el trabajo con modelos mas y mas complejos, llegándose a mediciones cuando la obra está en fase final de construcción.
Cada punto que debe conectarse a la red de tierra se puede unir a una o dos ramas, en el segundo caso tratando de conectarse a ramas distintas de la red.
Los cables de puesta a tierra deben conducir distintas corrientes de falla, todos pueden estar llamados a conducir la corriente de falla monofásica (o bifásica) a tierra (corriente que se drena al suelo).
Además los cables que unen polos de distintos equipos pueden conducir corrientes de falla bifásica o trifásica.
La corriente se ramifica desde el punto de inyección en la red , se acepta que en un nodo donde se inician dos caminos la repartición puede ser 60% y 40%, constructivamente es difícil lograr que en el punto de inyección concurran mas ramas dispersoras.
En la base de ciertos equipos en los que se producen descargas de tipo impulsivo, como descargadores, transformadores de corriente (que se presentan como capacitores a la descarga de sobretensiones) y de tensión (eventualmente capacitivos), capacitores, transformadores de potencia (también puntos de descarga de sobretensiones), es necesario que la red tenga mayor densidad.
En estos puntos las sobretensiones (de alta frecuencia) al descargarse a tierra solo ven una pequeña parte de la red total.
Para mejorar localmente la red de tierra también se instalan algunas jabalinas, que prácticamente no influyen cuando se estudia el comportamiento de la red a frecuencia industrial, pero que mejoran el comportamiento de la parte de red que es afectada por descargas de alta frecuencia.
Es necesario el conocimiento del suelo en distintos puntos, y a distintas profundidades, normalmente los estudios de suelo para fundar incluyen la medición de resistividad del suelo.
Los valores de resistividad del suelo realizando mediciones superficiales, y cierto conocimiento geológico permiten obtener una imagen del suelo (resistividad media, dispersión, variación en profundidad, etc.).
VERIFICACIONES DURANTE LA CONSTRUCCIÓN
A medida que se construye la red de tierra, se hacen partes, y es posible medir su resistencia y verificar los cálculos.
Lógicamente este trabajo es de cierto grado de dificultad, es necesario calcular las partes de red de acuerdo a lo que se mide.
VERIFICACIONES AL FIN DE LA CONSTRUCCIÓN
Una vez construida la red es posible medir su resistencia total, aunque esta medición no es inmediata.
También se pueden medir potenciales en zonas críticas, generalmente seleccionadas por los cálculos previos, o por singularidades que se notan en el proyecto.
VERIFICACIONES DURANTE LA VIDA
La red de tierra es una obra que está oculta, no es visible.
Se debe verificar que se conserva, mantiene su integridad, la solución es desenterrar y mirar, observar.
Si hay partes desconectables, es posible medir y comparar medidas, pero es necesario disponer de valores que efectivamente puedan ser comparados.
CONDICIONES DE SEGURIDAD FRENTE A TENSIONES DE CONTACTO.
Al realizarse una red de tierra, se determinan sus características de diseño desde el punto de vista de seguridad.
Los valores controlados son en particular las tensiones de paso y de contacto.
La magnitud de estas tensiones debe quedar contenida dentro de los límites de seguridad.
Cuando un operador realiza la maniobra de un equipo, si se produce una falla el operador quedará sometido a la tensión de contacto Vc, a la que se debe agregar la tensión entre los dos extremos de la conexión de puesta a tierra Vx, como indica la
figura 10.1-A.El potencial de contacto aparece entre cualquier otro punto de los soportes o partes metálicas de la estación, y el suelo, entonces cualquier otro operador puede estar sometido a la tensión de contacto aunque sin ser el que dio origen a la falla.
Se considera que el operador que da origen a la falla esta sometido a un mayor riesgo que otros operadores, para los cuales es poco probable que estén en contacto en el momento de la falla.
Para el operador que da origen a la falla existe la certeza de que está sometido a la tensión total de contacto.
En consecuencia cuando el potencial de contacto, aun siendo limitado, puede ser sentido por el operador, se buscan condiciones de mayor seguridad.
Si el potencial de contacto es extremadamente bajo, las precauciones adicionales pueden no parecer justificadas.
En la revista ELECTRA N- 19 fue sometido a la consideración pública un trabajo titulado: "la incidencia de las reglas de seguridad en la construcción de las estaciones".
En dicho artículo se tratan entre otros en particular los temas de puesta a tierra, y maniobra de los aparatos de alta tensión.
La posibilidad de que ocurra una falla, y de que el operador esté sometido a un cierto riesgo es particularmente importante en caso de comando manual local.
El artículo propone las soluciones posibles que garantizan que entre el comando y el suelo no pueda establecerse corriente a través del cuerpo del operador, o que el potencial aplicado sobre el operador sea mínimo.
Se proponen dos soluciones posibles:
- Una reja metálica ligada por una parte a la red general de tierra, y por otra parte al comando del aparato.
La
figura 10.1.B muestra la reja al pie del operador, y la figura 10.1.C muestra el esquema equivalente eléctrico de esta solución.- la reja se encuentra conectada al comando del aparato a través del conductor de tierra.
- Por otra parte la reja se encuentra conectada a tierra a través de una resistencia no bien definida, que puede ser elevada.
- Si se supone que toda la corriente If circula por Zc entre el punto de contacto y la reja se presenta la tensión Zc * If.
- El cable Zc se dimensiona para conducir la corriente de falla, su longitud es de un par de metros, su impedancia puede ser 0.1 a 0.2 ohm/km. * 2 m = 0.2 a 0.4 milliohm.
- con una corriente de falla de 15 a 20 kA se tiene una tensión entre los extremos del cable de Vx = 4 a 8 Volt.
- La reja se encuentra apoyada sobre el suelo y parte de la corriente If pasará de la reja al suelo, dependiendo de la resistencia de contacto de la reja.
- De todos modos la tensión de contacto aplicada al operador queda contenida dentro del valor de Vx fijado.
La
figura 10.2 muestra la otra posible solución.- la reja se encuentra aislada, y el operador sobre ella no se encuentra sometido a tensión alguna.
La comparación de las dos figuras, y la suposición de contingencias muestra ventajas y posibles inconvenientes.
En la
figura 10.1.C pueden suponerse varias posibles fallas:- Si el cable que conecta la reja a tierra se interrumpe, esta situación se muestra en la
figura 10.3 donde se establece un camino de corriente a través del operador, en serie con la resistencia de puesta a tierra que presenta la reja.- Se observa que es favorable un valor elevado de resistencia de tierra.
- Si el cable que se interrumpe es el de bajada
figura 10.4 aumentará la tensión porque la impedancia de tierra del soporte es mayor que la del cable.- Las fallas de
figura 10.3 y figura 10.4 son prácticamente imposibles ya que el estado de las conexiones es siempre visible, en consecuencia no puede darse una degradación que llegue a la interrupción, periódicas inspecciones permiten garantizar la seguridad.- Si el cable que se encuentra enterrado se interrumpiera
figura 10.5 la corriente de falla se verá forzada a pasar a través de Zc, la reja y su puesta a tierra, pero en este caso el operador sigue sometido a la misma tensión de contacto que se tenía con la conexión integra.- Señalemos que la degradación debe ser tal que se interrumpan los dos cables.
En la
figura 10.2 pueden suponerse las siguientes fallas:- Corte del conductor entre la base conductora de apoyo de los aisladores que sostienen la reja y el punto de contacto
figura 10.6, esta situación no trae consecuencias.- Pérdida de aislación de los aisladores en los que la reja está apoyada, esta situación puede ocurrir fácilmente, a causa de la suciedad, pasto crecido, acumulación de agua, etc. Esta situación lleva a que la reja tenga respecto del comando un potencial que coincide en el caso límite con el de la figura 10.1, ver
figura 10.7.La interrupción del cable enterrado
figura 10.8 es análoga a la presentada en figura 10.5, pero con resistencia infinita entre reja y suelo (si los aisladores están limpios).De lo indicado parecería que la solución de
figura 10.2 es mas segura, sin embargo la solución de figura 10.1.B permite apoyar la reja sobre dos soportes de hormigón, prácticamente sobre el suelo.La altura del eventual escalón que aparece es de 10 - 15 cm, valor razonable.
Al tratar de realizar la solución de
figura 10.2 los aisladores fijan mayor altura.El escalón por razones obvias no puede pasar de los 10 - 15 cm, dependiendo de los aisladores utilizados puede ser necesario realizar en el suelo una "pileta", que se convertirá en receptáculo de agua, suciedad, y ayudará a degradar la aislación de los aisladores.
Se considera entonces que la solución de
figura 10.2 puede sufrir procesos de degradación, y no ofrece particulares ventajas frente a la propuesta de figura 10.1.B.