Además de la malla, el patio de una subestación tiene puntos con exposición propia: las zonas de servicio dentro de la cerca, los mandos de los seccionadores, donde el operador está parado, y los pararrayos. IEEE 80 pide conexiones cortas y directas en los pararrayos, un tapete o una malla local en el mando, comprobar las tensiones en las áreas de servicio y no usar tierras separadas dentro de la subestación.
Respuesta corta
Una malla bien diseñada deja las tensiones de paso y de contacto dentro de límites seguros en toda el área que cubre. Pero hay puntos del patio que merecen revisión aparte, porque hay personas junto a ellos o porque su conexión a tierra condiciona la protección del equipo. IEEE Std 80-2013 los trata en su cláusula 17: áreas de servicio, ejes y manijas de seccionadores y pararrayos, además de recomendar no usar tierras separadas dentro de la subestación. El procedimiento general de diseño está en diseño de puesta a tierra de subestación con IEEE 80.
Áreas de servicio
Las tensiones de paso y de contacto a las que se exponen las personas fuera de la cerca son muy parecidas a las de dentro. A veces se instala una cerca que encierra un área mucho mayor que la usada por la subestación, y la malla se construye solo en la parte usada y a lo largo de la cerca. El resto, sin protección, suele servir de almacén, patio de maniobras o área general de servicio. Allí hay que comprobar las tensiones de paso y de contacto para decidir si hacen falta más tierras.
Una malla reducida, que no incluye el área de servicio, cuesta menos al inicio y evita trabajar alrededor de una malla ya instalada cuando se amplíe la subestación. A cambio, protege menos a las personas y, por tener menos área y menos conductor, tiene mayor resistencia que una malla completa que incluya el área.
El área de servicio también puede encerrarse con una cerca separada, sin unión con la malla; los problemas de tensión transferida que eso puede traer los trata la norma en su cláusula 17.3. Los elementos que salen de la malla pueden llevar potencial fuera de ella, como se explica en tensión transferida y potenciales transferidos.
Mando y eje del seccionador
Las manijas de los seccionadores son una preocupación importante cuando no están bien puestas a tierra. La operación manual obliga a que el operador esté junto a una estructura puesta a tierra, y varias cosas pueden producir una falla en esa estructura y exponerlo a un choque:
- la apertura de un circuito energizado,
- una falla mecánica,
- la ruptura eléctrica de un aislador del seccionador,
- el intento de interrumpir una corriente de carga de línea o de magnetización de transformador mayor que la que el seccionador puede interrumpir con seguridad.
Proteger contra esos riesgos es relativamente fácil cuando la manija está dentro de una malla extensa diseñada según la norma, porque las tensiones de paso y de contacto cerca de ella deberían estar dentro de límites seguros. Aun así, es frecuente tomar medidas adicionales para dar más seguridad al operador. Por ejemplo, conectar el eje del seccionador a un tapete de tierra sobre el que se para el operador. El tapete se une directamente a la malla y al eje, lo que da una derivación directa a tierra en paralelo con la persona que opera. El camino del eje a la malla debe tener la sección para llevar la corriente de falla durante el tiempo requerido.
Cómo lo hacen otras empresas
Una encuesta mundial de 2009 que cita la norma mostró que el 82 % de las empresas que respondieron exigía poner a tierra a la malla los ejes de los seccionadores de aire, y que todas tomaban precauciones extra para reducir los gradientes de superficie donde se para el operador. La forma de poner a tierra el eje estaba dividida casi por igual: cerca de la mitad usaba un puente directo entre el eje y el tapete, y la otra mitad un puente del eje a la estructura de acero vecina, usando el acero como parte del camino. Cerca del 90 % usaba una trenza, y el resto, un dispositivo sin trenza. Para reducir los gradientes bajo el operador se usaba una plataforma puesta a tierra, una malla de alambre muy cerrada bajo el material superficial o una separación menor en la malla principal.
Pararrayos
Los pararrayos, o descargadores de sobretensiones, siempre deben tener una conexión a tierra confiable y de baja impedancia. La norma indica:
- Conectarlos lo más cerca posible de los terminales del equipo que protegen.
- Mantener lo más cortos y rectos que se pueda los conductores de fase y de neutro.
- En transformadores, interruptores y reguladores, conectar el pararrayos de la fase a la cuba minimiza la sobretensión sobre el aislamiento del equipo respecto de tierra.
- El conductor de neutro del pararrayos debe tener el camino más corto y directo posible a la malla, para disipar la energía de la sobretensión.
- Las curvas en esos conductores aumentan la impedancia de forma notable y reducen el nivel de protección.
Algunas empresas tienen conductores de tierra separados para los pararrayos montados sobre estructuras metálicas; otras usan la estructura de montaje o la cuba del equipo protegido como camino a tierra, porque la gran sección del acero ofrece menos resistencia que un cable de cobre de tamaño habitual. En ese caso hay que asegurar una buena conexión eléctrica de la estructura con el conductor del pararrayos y con la malla, verificar que la sección del acero tenga la conductividad necesaria y que no haya resistencias altas en las uniones por pintura, óxido u otras causas.
Cómo funciona el descargador está en descargador de sobretensiones; su protección contra rayos directos, en apantallamiento contra descargas atmosféricas.
Por qué no se usan tierras separadas
La norma dice que la práctica de tener tierras separadas dentro de la subestación casi no se usa, por cinco razones:
- Resultan resistencias mayores que con un sistema de tierra único.
- Ante fallas de aislamiento en la subestación, pueden circular corrientes altas por la tierra de seguridad.
- Con un acoplamiento alto entre electrodos separados en la misma zona, no se logra mantener baja la elevación de potencial de las tierras de seguridad ante fallas de línea.
- Pueden aparecer potenciales peligrosos entre puntos puestos a tierra cercanos, porque los sistemas pueden desacoplarse hasta cierto punto.
- Pueden producirse grandes diferencias de potencial transitorias entre componentes del equipo durante rayos u otras sobretensiones, con operación incorrecta o daños.
Cómo lo hacemos en Tiza Group
Revisar las tensiones en las áreas de servicio, el mando de los seccionadores y las tierras de los pararrayos se hace con el modelo de la malla y los datos de falla. En Tiza Group lo incluimos en el diseño de subestaciones de media, alta y extra alta tensión. Conozca nuestro servicio de diseño de ingeniería y estudios o escríbanos.
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Referencias
- IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding, cláusulas 17.1, 17.2, 17.7 y 17.8.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se pone a tierra el eje de un seccionador de operación manual?
Porque el operador está junto a una estructura puesta a tierra y una falla en esa estructura lo expondría a un choque. Las causas pueden ser abrir un circuito energizado, una falla mecánica, la ruptura eléctrica de un aislador o intentar interrumpir una corriente de carga de línea o de magnetización mayor que la que el seccionador puede interrumpir con seguridad.
¿Qué tan corto debe ser el conductor de tierra de un pararrayos?
Lo más corto y recto posible, tanto en las conexiones de fase como en el neutro. Las curvas en esos conductores pueden sumar una impedancia significativa y reducir el nivel de protección del pararrayos.
¿Se puede tener una tierra de seguridad separada de la tierra del sistema dentro de la subestación?
La norma indica que se usa rara vez. Las tierras separadas dan resistencias mayores, no evitan que circulen corrientes altas por la tierra de seguridad ante una falla de aislamiento, no mantienen baja la elevación de potencial de las tierras de seguridad y pueden producir diferencias de potencial peligrosas y grandes diferencias transitorias entre componentes durante rayos y otras sobretensiones.