Incidencia ante una elevación del potencial a tierra debido a una falla monofásica (voltaje en la carcaza de una carga remota)
Las personas a menudo asumen que cualquier objeto conectado a tierra puede ser tocado con seguridad. Una baja resistencia a tierra de una subestación no es necesariamente una garantía de seguridad. No hay una relación simple entre la resistencia a tierra del sistema en su conjunto y la corriente máxima de choque a la que una persona puede estar expuesta.
ELEVACIÓN DEL POTENCIAL A TIERRA Y TENSIÓN DE FALLA A TIERRA:
ANSI/IEEE 80 define como la elevación del potencial a tierra “al máximo voltaje que una subestación aterrada con una malla de puesta a tierra puede alcanzar con respecto a un punto de puesta a tierra distante, asumiendo que se encuentra al potencial de tierra remota”.
La siguiente figura nos ayuda a ilustrar mejor la elevación del potencial a tierra y la tensión de falla a tierra.
- La elevación del potencial a tierra en la Subestación Móvil es igual al producto de la corriente en A (IA) y la resistencia a tierra de la Subestación (RS2). Esta elevación del potencial a tierra será transferida a través de los cables de servicio móvil a la estructura del equipo móvil instalado.
- Ante una eventual presencia de falla a tierra, la corriente IB es igual a la tensión de fase en el secundario del transformador móvil dividido por el valor de la resistencia conectada del neutro a tierra (R2).
- El voltaje de falla a tierra en la estructura del equipo móvil alimentado a través del cable de servicio es igual al producto de IB y la resistencia del cable a tierra (RGW).
La persona tocando la estructura del equipo móvil alimentado por el cable de servicio será expuesto a la transferencia de la elevación del potencial a tierra cuando la falla en A ocurra, y a una tensión de falla a tierra cuando ocurra una falla en B.
SIMULACIÓN / INCIDENCIA ANTE UNA ELEVACION DE POTENCIAL A TIERRA:
Se tiene como referencia un sistema 13.8kV/0.48kV ΔYn, donde ocurre una falla monofásica a tierra en la SE Móvil lado 13.8kV (△) y se evalúa la incidencia de elevación de potencial a tierra en la persona que toca el equipo móvil conectado en el lado 0.48kV (Y).
Descripción del circuito:
- SE Móvil: Transformador 13,8/0,48kV de 10MVA ΔYn, aterrado con una resistencia R=55,4Ω.
- Equipo Móvil: Carga Trifásica balanceada Conexión Yn (Inom=35,27A)
- Persona: Rpersona=1000 Ω
Resultados:
Considerando la simulación para distintos valores de la resistencia de malla a tierra
| Resistencia Malla | I Resistencia (mA rms) |
I Persona (mA rms) |
V Persona (Vrms) |
| 1 Ω | 0,00 A | 63,28 mA | 63,28 V |
| 3 Ω | 0,00 A | 184,38 mA | 184,38 V |
| 5 Ω | 0,00 A | 298,70 mA | 298,70 V |
Consecuencias:
- El relé de fallas a tierra 51N/50N instalado en la S.E. Móvil (Lado 0,48kV) no verá la incidencia de la falla a tierra del lado 13.8kV. (No hay disparo por protección)
- Debido a que la carga móvil esta aterrada, la persona que haga contacto directo con la estructura está expuesto a la transferencia de la elevación del potencial a tierra (RM N°308-2001 – Uso de la Electricidad en Minas // M421-00 Use of Electricity in Mines).
Posible Solución:
- La forma de prevenir esta incidencia de elevación de potencial a tierra es a través de un relé integrado con la protección FRAME VOLTAGE, el cual sería instalado en el Equipo Móvil.
Recomendación:
- Realizar pruebas de tensión de toque y de contacto a lo largo de los puntos críticos con fin de evaluar la incidencia de la elevación de potencial a tierra y la tensión de falla a tierra.
Descripción del circuito:
- SE Móvil: Transformador 13,8/0,48kV de 10MVA ΔYn, aterrado con una resistencia R=55,4Ω.
- Equipo Móvil: Carga Trifásica balanceada Conexión Yn (Inom=35,27A)
- Persona: Rpersona=1000 Ω
Resultados:
Considerando la simulación para distintos valores de la resistencia de malla a tierra
| Resistencia Malla | I Resistencia (mA rms) |
I Persona (mA rms) |
V Persona (Vrms) |
| 1 Ω | 0,00 A | 63,28 mA | 63,28 V |
| 3 Ω | 0,00 A | 184,38 mA | 184,38 V |
| 5 Ω | 0,00 A | 298,70 mA | 298,70 V |
Consecuencias:
- El relé de fallas a tierra 51N/50N instalado en la S.E. Móvil (Lado 0,48kV) no verá la incidencia de la falla a tierra del lado 13.8kV. (No hay disparo por protección)
- Debido a que la carga móvil esta aterrada, la persona que haga contacto directo con la estructura está expuesto a la transferencia de la elevación del potencial a tierra (RM N°308-2001 – Uso de la Electricidad en Minas // M421-00 Use of Electricity in Mines).
Posible Solución:
- La forma de prevenir esta incidencia de elevación de potencial a tierra es a través de un relé integrado con la protección FRAME VOLTAGE, el cual sería instalado en el Equipo Móvil.
Recomendación:
- Realizar pruebas de tensión de toque y de contacto a lo largo de los puntos críticos con fin de evaluar la incidencia de la elevación de potencial a tierra y la tensión de falla a tierra.
IMPACTO FISIOLÓGICO DE LA CORRIENTE SOBRE EL CUERPO HUMANO, SEGÚN IEC 60479-1:
Zonas tiempo-corriente para corrientes alternas (15 a 100Hz), trayecto mano izquierda a pies.
| Zonas | Límites | Efectos Fisiológicos |
| AC-1 | Hasta 0.5mACurva A | Posible Percepción, pero por lo general no hay reacción de sobresalto. |
| AC-2 | De 0.5mA hasta la Curva B | Percepción e involuntarias contracciones musculares, pero por lo general no hay efectos eléctricos-fisiológicos nocivos. |
| AC-3 | Curva B y superior | Fuertes contracciones musculares involuntarias. Dificultad para respirar. Alteraciones reversibles del funcionamiento del corazón. Puede ocurrir inmovilización. |
| AC-41) | Superior de la CurvaC1 C1-C2 C2-C3 Encima de la curva C3 | Pueden ocurrir efectos fisiopatológicos como un paro cardíaco, paro de respiración, quemaduras u otros daños celulares. La probabilidad de fibrilación ventricular aumenta con la magnitud de la corriente y el tiempo.AC-4.1 La Probabilidad de fibrilación ventricular aumenta aproximadamente hasta un 5%AC-4.2 La Probabilidad de fibrilación ventricular aumenta aproximadamente hasta un 50%AC-4.3 La Probabilidad de fibrilación ventricular es por encima de 50% |
CRITERIO DE LA TENSIÓN TOLERABLE:
La curva aquí mostrada se refiere a la curva de seguridad tiempo-tensión tomada de la publicación de IEC.
Para tensiones menores a 50 V, el tiempo de tolerancia es infinito.
Para tensiones de 50 V el tiempo de tolerancia es de 5 Seg.
Por lo tanto, si la protección contra contacto indirecto se logra mediante la desconexión automática del circuito, es necesario asegurar que la apertura se realice cumpliendo con esta curva de seguridad tensión-tiempo (para cualquier sistema de distribución)
La seguridad de una persona depende de la prevención de la cantidad crítica de energía de choque que se absorba antes de que la falla se borre y el sistema sea desenergizado. La tensión de excitación máxima de cualquier circuito accidental no debe exceder de los límites definidos de la siguiente manera.
Notas adicionales:
- Según la IEC 60479-1 “Effects of current on human beings and livestock – Part1” nos indica que:
Para contactos indirectos a tensiones de 50 V el tiempo de tolerancia es de 5 Seg (Según la curva de seguridad tiempo-tensión).
- Según el Código Peruano 308-2001 “Uso de la Electricidad en Minas” en la sección 3.5.5 nos indica que:
Cuando se use el monitoreo del conductor de tierra, la fuente será desenergizada en menos de 0.5 seg, y no se llegue a ser energizado si:
- El conductor de tierra este abierto;
- El conductor por retorno a tierra este abierto; o
- El conductor de tierra se cortocircuite a tierra.
Un sistema con monitoreo del conductor de tierra debe tener un voltaje de circuito abierto de menos de 100 V y debe indicar constantemente la continuidad del circuito de tierra.
