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MÁS ESPAÑOLIEEE Std 80 – 2013Guía IEEE para la Seguridaden el Aterrizamiento deSubestaciones de CAE S P A Ñ O L(TRADUCCIÓN PARCIAL)IEEE POWER AND ENERGY SOCIETYAuspiciado por el Subcomité de SubestacionesIEEE3 Park Avenue New York, NY 10016- USAIEEE Std 80TM – 2013 (Revisión de IEEE Std 80 – 2000/ I...

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MÁS ESPAÑOL

IEEE Std 80 – 2013

Guía IEEE para la Seguridad en el Aterrizamiento de Subestaciones de CA ESPAÑOL

(TRADUCCIÓN PARCIAL)

IEEE POWER AND ENERGY SOCIETY

Auspiciado por el Subcomité de Subestaciones

IEEE 3 Park Avenue New York, NY 10016-5997 USA

IEEE Std 80TM – 2013 (Revisión de IEEE Std 80 – 2000/ Incorpora IEEE Std 80 – 2013/ Cor 1 – 2015

IEEE Std 80™-2013 (Revisión de IEEE Std 80-2000/ Incorpora IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015)

Guía IEEE para la Seguridad en el Aterrizamiento de Subestaciones de CA ESPAÑOL

Auspiciado por Substations Committee of the IEEE Power and Energy Society

Aprobada el 11 de diciembre de 2013 IEEE – SA Standard Board

Traducida al español del original en inglés, por Numa Pompilio Jiménez, Universidad de El Salvador, Mejicanos, El Salvador, 2016.

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Copyrights and permissions: Annex E translated by T. W. Stringfield from Koch, W., “Erdungsmassnahmen fur Hochstspannungsanlagen mit Geerdetem Sternpunkt,” Electrotechnische Zeitschrift, vol. 71, no. 4, pp. 8–91, Feb. 1950.

Annex F is taken from Dawalibi, F., and Mukhedkar, D., “Parametric analysis of grounding systems,”IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-98, no. 5, pp. 1659–1668, Sept./Oct. 1979; and Dawalibi, F., and Mukhedkar, D., “Influence of ground rods on grounding systems,” IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, vol. PAS-98, no. 6, pp. 2089–2098, Nov./Dec. 1979. Annex G translated by T. W. Stringfield from Koch, W., “Erdungsmassnahmen fur Hochstspannungsanlagen mit Geerdetem Sternpunkt,” Electrotechnische Zeitschrift, vol. 71, no. 4, pp. 8–91, Feb. 1950.

Resumen: Esta guía está primariamente interesada con las subestaciones CA en intemperie, ya sea convencional o aislada en gas. Estas incluyen subestaciones de distribución, transmisión y de plantas generadoras. Con la precaución apropiada, los métodos descritos aquí son aplicables a porciones en el interior de tales subestaciones, o a subestaciones que están completamente en el interior. Ningún intento se ha hecho para cubrir los problemas peculiares a subestaciones de DC. Un análisis cualitativo de los efectos de los transitorios de rayos está más allá del enfoque de esta guía. Palabras clave: redes de tierra, puesta a tierra IEEE 80TM, diseño de subestación, puesta a tierra de subestación.

The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 3 Park Avenue, New York, NY 10016-5997, USA Copyright © 2015 by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Todos los derechos reservados. Publicado el 15 de Mayo de 2015. IEEE es una marca registrada en the U.S. Patent & Trademark Office, owned by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Incorporated. National Electrical Safety Code and NESC are registered trademarks in the U.S. Patent & Trademark Office, owned by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Incorporated. PDF: ISBN 978-0-7381-8850-8 STD98495 Impreso: ISBN 978-0-7381-8851-5 STDPD98495 IEEE prohíbe la discriminación, acoso y la intimidación. Para más información, visite: http://www.ieee.org/web/aboutus/whatis/policies/p9-26.html.

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Introducción

Esta introducción no es parte de la IEEE Std 80-2013, Guía de la IEEE para la Seguridad en el Aterrizamiento de Subestaciones CA Esta quinta edición representa la tercer mayor revisión de esta guía desde su primera publicación en 1961. Las previas ediciones extendieron las ecuaciones para el cálculo de los voltajes de paso y de toque para incluir las redes con forma de L y con forma de T; ellos introdujeron curvas para ayudar a determinar el factor de división de corriente, cambiando el criterio de selección de conductores y conexiones, y proporcionando más información sobre la interpretación de las mediciones de resistividad; y agregando la discusión de suelos multi-capas. Esta edición introduce los cálculos para determinar TCAP para materiales no listados en la Tabla 1. Esta información puede ser usada para calcular TCAP para diferentes combinaciones de electrodos bi-metálicos usados en los sistemas de puesta a tierra. Esta edición también introduce evaluaciones comparativas (benchmarks en inglés). La evaluación comparativa tiene dos propósitos. El primero, que la evaluación comparativa confronta las ecuaciones de la IEEE Std 80 a software de diseño de redes de tierra disponibles comercialmente. Segundo, la evaluación comparativa proporciona a los usuarios de software una manera de verificar su entendimiento del software. La quinta edición continua construyendo sobre 50 años de trabajo dedicado por miembros del grupo de trabajo AIEE Working Group 56.1 y de los IEEE Working Groups 69.1, 78.1 y D7. Como es requerido por la IEEE Std 80-2013/Cor 1-2015, se han hecho correcciones a la Cláusula 11, Cláusula 17, Anexo C, Anexo H también como en la Tabla 1 y Tabla 2; dos ecuaciones que siguen a la Figura 45; Tabla H.5 que fue reemplazada por una nueva, y la Tabla H.6 hasta la Tabla H.10 que fueron agregadas.

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Contenido 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Descripción general Referencias normativas Definiciones Seguridad en el Aterrizamiento Rango de corriente tolerable Límite de la corriente tolerable por el cuerpo humano Circuito de tierra accidental Criterio del voltaje tolerable Principales consideraciones de diseño Consideraciones especiales para subestaciones aisladas en gas (GIS) Selección de conductores y conexiones Características del suelo Estructura del suelo y selección Evaluación de la resistencia de tierra Determinación de la corriente máxima de la cuadrícula Diseño del sistema de tierra Áreas especiales de interés Construcción de un sistema de tierra Mediciones de campo en un sistema de tierra construido Modelos de escala física

Anexo A (informativo) Bibliografía Anexo B (informativo) Cálculos de ejemplo Anexo C (informativo) Análisis gráfico y aproximado de la división de corriente Anexo D (informativo) Ecuaciones simplificadas de toque y de paso Anexo E (informativo) Modelo equivalente de suelo uniforme para suelos no uniformes Anexo F (informativo) Análisis paramétrico de sistemas de tierra Anexo G (informativo) Métodos de puesta a tierra para estaciones de alto voltaje con neutros puestos a tierra

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Guía IEEE para la Seguridad en el Aterrizamiento de Subestaciones de CA 1. Descripción general 1.1 Enfoque Esta guía se ocupa principalmente de subestaciones de corriente alterna en la intemperie, ya sea convencional o aislada en gas. Están incluidas subestaciones de distribución, transmisión y plantas generadoras. Con la debida precaución, los métodos descritos en el presente documento son aplicables a las porciones interiores de dichas subestaciones, o para las subestaciones que son totalmente en el interior también. No se hace ningún intento de cubrir los problemas de puesta a tierra peculiares a las subestaciones de corriente continua. También está más allá del alcance de esta guía el análisis cuantitativo de los efectos de los rayos.

1.2 Propósito La intención de esta guía es proporcionar orientación e información pertinente a las prácticas de puesta a tierra seguras en el diseño de subestaciones de corriente alterna. Los propósitos específicos de esta guía son: a) Establecer, como fundamento para el diseño, los límites de seguridad de las diferencias de potencial que puedan existir en una subestación en condiciones de falla entre los puntos que pueden ser contactados por el cuerpo humano. b) Revisar las prácticas de puesta a tierra en la subestación, con especial referencia a la seguridad, y el desarrollo de criterios de seguridad para el diseño. c) Proporcionar un procedimiento para el diseño de sistemas de tierra prácticos, basados en estos criterios. d) Desarrollar métodos analíticos como una ayuda para el entendimiento y solución de problemas típicos de gradiente de voltaje.

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e) Proporcionar puntos de referencia sobre casos para comparar los resultados de las ecuaciones de la IEEE Std 80™ y de programas software disponibles comercialmente. El concepto y el uso de criterios de seguridad se describen en la Cláusula 1 hasta la Cláusula 8, los aspectos prácticos de diseño de un sistema de puesta a tierra están cubiertos en la cláusula 9 hasta la Cláusula 13, y los procedimientos y técnicas de análisis para la evaluación del sistema de puesta a tierra (en términos de criterios de seguridad) se describe en la Cláusula 14 a la Cláusula 20. El material de apoyo se organiza del anexo A al anexo H. Esta guía se refiere principalmente a las prácticas de puesta a tierra de seguridad a frecuencia industrial en el rango de 50 Hz a 60 Hz. Los problemas propios de las subestaciones de corriente continua y los efectos de los transitorios de rayos están más allá del alcance de esta guía. Un sistema de puesta a tierra diseñado como se describe en el presente documento, sin embargo, proporcionará cierto grado de protección contra los frentes de ondas entrando en la subestación y pasando al suelo a través de su tierra.

2. Referencias normativas Los siguientes documentos referenciados son indispensables para la aplicación de este documento (es decir, deben ser comprendidos y utilizados, por lo que cada documento de referencia se cita en el texto y su relación con este documento se explica). Para las referencias con fecha, sólo se aplica la edición citada. Para referencias sin fecha, aplica la última edición del documento de referencia (incluyendo cualquier modificación o corrección). Esta guía se utilizará en conjunto con la siguiente publicación. IEEE Std 81™ IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System.

3. Definiciones Para propósito de este documento, los siguientes términos y definiciones aplican. El IEEE Standards Dictionary Online debe ser consultado para términos no definidos en esta cláusula. Electrodo auxiliar de tierra: Un electrodo de tierra con cierto diseño o restricciones operativas. Su principal función puede ser la de conducir la corriente de falla a tierra hacia el suelo. Encerramiento continuo: Un encerramiento de bus en el cual las secciones consecutivas del gabinete del mismo conductor de fase están interconectadas para proporcionar un camino de corriente continua a través de toda la longitud del encerramiento. La unión equipotencial cruzada, la conexión de los encerramientos de las otras fases, son hechas solamente en los extremos de la instalación y en unos puntos intermedios seleccionados. Desplazamiento de DC: Es la diferencia entre la onda de corriente simétrica y la corriente real durante una condición de un transitorio del sistema. Matemáticamente, la corriente de falla real puede ser dividida en dos partes, una componente alterna simétrica y una componente uni7

direccional (DC). La componente uni-direccional puede ser de cualquier polaridad, pero la polaridad no cambiará, y disminuirá en alguna tasa predeterminada. Factor de decremento: Un factor de ajuste que se utiliza junto con el parámetro de corriente de falla a tierra simétrica en los cálculos de tierra orientados a la seguridad. Determina el equivalente RMS de la onda de corriente asimétrica para una duración de falla dada, t f, lo que representa el efecto de desplazamiento inicial de DC y su atenuación durante la falla. Corriente de falla asimétrica efectiva: El valor RMS de la onda de corriente asimétrica, integrada en el intervalo de duración de la falla (ver Figura 1). Donde IF es la corriente de falla asimétrica efectiva en A If es la corriente de falla a tierra simétrica en A Df es el factor de decremento

Figura 1 – Relación entre los valores reales de la corriente de falla y los valores de IF, If y Df para la duración de la falla tf

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Corrientes de encerramiento: corrientes que resultan de las tensiones inducidas en el recinto metálico por las corrientes que fluyen en el conductor encerrado. Factor de división de corriente: Un factor que representa la relación la inversa de la corriente de falla simétrica a la porción de la corriente que fluye entre la red de tierra y el suelo circundante.

Donde Sf es el factor de división de corriente Ig es la corriente de cuadrícula simétrica RMS en A I0 es la corriente de falla de secuencia cero en A NOTA - En realidad, el factor de división de corriente cambia durante la duración de la falla, en base a las tasa de descomposición de las diferentes contribuciones de falla y la secuencia de interrupción de las operaciones del dispositivo. Sin embargo, a los efectos de calcular el valor de diseño de la corriente cuadrícula y la corriente de cuadrícula simétrica según las definiciones de la corriente de cuadrícula simétrica y la corriente máxima de la cuadrícula, la relación se supone constante durante toda la duración de una falla determinada Subestación aislada en gas (GIS): Un ensamblaje de componentes múltiples compacta, encerrado en una carcasa metálica puesta a tierra en la que el medio de aislamiento primario es un gas, y que normalmente consiste en buses, los aparatos de maniobra y equipo asociado (subconjuntos). Tierra: Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por el cual un circuito eléctrico o equipo se conecta al suelo o a algún cuerpo conductor de magnitud relativamente grande que sirve en lugar de la tierra. Puesto a tierra: Un sistema, circuito o aparato dotado de una tierra (s) a los efectos de establecer un circuito de retorno por tierra y para mantener su potencial aproximadamente al potencial de la tierra. Corriente de tierra: Una corriente que entra o sale de la tierra o su equivalente que sirve como tierra. Electrodo de tierra: Un conductor incrustado en la tierra y usado para recolectar la corriente de tierra, o la disipación de corriente de tierra hacia el suelo. Red de tierra: Un sistema de electrodos de tierra interconectado arreglado en un patrón sobre un área específica y enterrado por debajo de la superficie del suelo. NOTA – Las redes enterradas horizontalmente cerca de la superficie de la tierra son también eficaces en el control de los gradientes de potencial superficiales. Una cuadrícula típica por lo general se complementa con una serie de varillas de tierra y puede ser conectada además a los electrodos de tierra auxiliares para reducir su resistencia con respecto a tierra remota. Alfombra de tierra: Es una placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos espaciados estrechamente que están conectados y a menudo localizados a poca profundidad y arriba de la red de tierra o en otra parte de la superficie del terreno, para obtener un nivel extra 9

de protección que minimiza el peligro de la exposición a altos voltajes de paso o de toque en un área de operación crítica o en lugares que son usados por la gente. Las rejillas metálicas de tierra, colocada en la tierra o sobre la superficie, o malla de alambres ubicadas directamente sobre el material superficial son formas comunes de una alfombra de tierra. Elevación del potencial de tierra (GPR): El potencial eléctrico máximo que un electrodo de tierra puede alcanzar respecto a un punto de conexión a tierra distante que se supone se encuentra el potencial de tierra remoto. Este voltaje, GPR, es igual a la corriente máxima de tierra, multiplicado por la resistencia de la red de tierra. Nota – Bajo condiciones normales, el equipo eléctrico puesto a tierra opera cerca del potencial de tierra cero. Eso es, el potencial de un conductor neutro puesto a tierra es casi idéntico al potencial de la tierra remota. Durante una falla a tierra la porción de la corriente de falla que es conducida por la red de tierra de la subestación hacia el suelo causa un incremento del potencial de la red de tierra con respecto a la tierra remota. Circuito de retorno a tierra: Un circuito en el que se utiliza la tierra o un cuerpo conductor equivalente para completar el circuito y permitir la circulación de corriente desde o hacia su fuente de corriente. Sistema de puesta a tierra: Comprende todas las instalaciones de puesta a tierra interconectadas en un área específica. Bus principal de tierra: Un conductor o sistema de conductores previstos para la conexión de todos los elementos metálicos designados de la subestación aislada en gas (GIS) con un sistema de puesta a tierra de la subestación. Corriente de cuadrícula máxima: Un valor de diseño de la corriente de cuadrícula máxima definida como sigue:

Donde IG es la corriente de cuadrícula máxima en A Df es el factor de decremento para la duración completa de la falla tf, dado en s Ig es la corriente de cuadrícula simétrica en A Voltaje de malla: Es el voltaje de toque máximo dentro de una malla de una cuadrícula de tierra. Voltaje de toque de metal a metal: Es la diferencia de potencial entre los objetos metálicos o estructuras dentro de una subestación que puede ser empuentada por un contacto directo de mano a mano o de mano a pie. NOTA – El voltaje de toque de metal a metal entre objetos metálicos o estructuras unidas a la cuadrícula de tierra se supone que es insignificante en las subestaciones convencionales. Sin embargo, puede ser sustancial el voltaje de toque de metal a metal entre objetos o estructuras metálicas unidas a la red de tierra a objetos metálicos internos al sitio de la subestación, tal como 10

una cerca aislada pero no unida a la cuadrícula de tierra. En el caso de una subestación con aislamiento de gas (GIS), el voltaje de toque de metal a metal entre objetos metálicos o estructuras unidas a la red de tierra puede ser sustancial debido a fallas internas o corrientes inducidas en los encerramientos metálicos. En una subestación convencional, el peor voltaje de toque se encuentra por lo general a ser la diferencia de potencial entre una mano y los pies en un punto de máxima distancia de alcance. Sin embargo, en el caso de un contacto de metal a metal de mano a mano o de la mano a pies, ambas situaciones deben ser investigadas por las posibles peores condiciones de alcance. La Figura 12 y la Figura 13 ilustran estas situaciones para las subestaciones aisladas en aire, y la Figura 14 ilustra estas situaciones en GIS. Encerramiento no continuo: Un recinto de bus con las secciones consecutivas de la carcasa del mismo conductor de fase eléctricamente aislados (o aislados el uno del otro), de modo que no puede fluir corriente más allá de cada sección del encerramiento. Electrodo de tierra primario: Un electrodo de tierra diseñado o adaptado para la descarga de la corriente de falla a tierra en el suelo, a menudo en un patrón de descarga específica, según sea necesario (o implícitamente pedido) por el diseño del sistema de puesta a tierra. Voltaje de paso: La diferencia en el potencial de la superficie que podría ser experimentada por una persona parada con los pies separados una distancia de 1 m sin contactar algún objeto conectado a tierra. Reactancia subtransitoria: Reactancia de un generador en el inicio de una falla. Esta reactancia se utiliza en el cálculo de la corriente de falla simétrica inicial. La corriente disminuye de forma continua, pero se supone que es constante en este valor como un primer paso, con una duración aproximada 0.05 s después de una falla aplicada. Material superficial: Un material instalado sobre el suelo que consiste en, pero no limitado a, roca o piedra triturada, asfalto o materiales artificiales. El material superficial, dependiendo de la resistividad del material, puede afectar significativamente la corriente por el cuerpo para los voltajes de paso y de toque que involucran los pies de la persona. Corriente de cuadrícula simétrica: La parte de la corriente de falla a tierra simétrica que fluye entre la cuadrícula de tierra y el suelo circundante. Puede expresarse como Donde Ig es la corriente de cuadrícula simétrica en A If es la corriente de falla a tierra simétrica RMS en A Sf es el factor de división de corriente de falla Corriente simétrica de falla a tierra: El valor máximo RMS de la corriente de falla simétrica después del ins...