Aumento del potencial de la Tierra - Earth potential rise

En ingeniería eléctrica , el aumento de potencial de tierra (EPR) también llamado aumento de potencial de tierra (GPR) ocurre cuando una gran corriente fluye a tierra a través de una impedancia de rejilla de tierra . El potencial relativo a un punto distante de la Tierra es más alto en el punto donde la corriente ingresa al suelo y disminuye con la distancia desde la fuente. El aumento del potencial de tierra es una preocupación en el diseño de subestaciones eléctricas porque el alto potencial puede ser un peligro para las personas o los equipos.

El cambio de voltaje a lo largo de la distancia (gradiente de potencial) puede ser tan alto que una persona podría resultar lesionada debido al voltaje desarrollado entre dos pies, o entre el suelo sobre el que está parada la persona y un objeto metálico. Cualquier objeto conductor conectado a la conexión a tierra de la subestación, como cables telefónicos, rieles, cercas o tuberías metálicas, también puede recibir energía en el potencial de tierra de la subestación. Este potencial transferido es un peligro para las personas y los equipos fuera de la subestación.

Un cálculo por computadora del gradiente de voltaje alrededor de una pequeña subestación. Donde el gradiente de voltaje es pronunciado, existe el peligro de descarga eléctrica para los transeúntes.

Causas

El aumento de potencial de tierra (EPR) es causado por fallas eléctricas que ocurren en subestaciones eléctricas, plantas de energía o líneas de transmisión de alto voltaje. La corriente de cortocircuito fluye a través de la estructura y el equipo de la planta y hacia el electrodo de puesta a tierra. La resistencia de la Tierra no es cero, por lo que la corriente inyectada en la tierra en el electrodo de puesta a tierra produce un aumento de potencial con respecto a un punto de referencia distante. El aumento de potencial resultante puede causar un voltaje peligroso, a muchos cientos de metros de la ubicación real de la falla. Muchos factores determinan el nivel de peligro, incluidos: corriente de falla disponible, tipo de suelo, humedad del suelo, temperatura, capas de roca subyacentes y tiempo de limpieza para interrumpir una falla.

El aumento del potencial de la Tierra es un problema de seguridad en la coordinación de los servicios de energía y telecomunicaciones. Un evento de EPR en un sitio como una subestación de distribución eléctrica puede exponer al personal, los usuarios o las estructuras a voltajes peligrosos.

Voltajes de paso, contacto y malla

El "voltaje escalonado" es el voltaje entre los pies de una persona que se encuentra cerca de un objeto energizado conectado a tierra. Es igual a la diferencia de voltaje, dada por la curva de distribución de voltaje, entre dos puntos a diferentes distancias del "electrodo". Una persona podría correr el riesgo de lesionarse durante una falla simplemente por pararse cerca del punto de conexión a tierra.

El "voltaje de contacto" es el voltaje entre el objeto energizado y los pies de una persona en contacto con el objeto. Es igual a la diferencia de voltaje entre el objeto y un punto a cierta distancia. El voltaje de contacto podría ser casi el voltaje total a través del objeto conectado a tierra si ese objeto está conectado a tierra en un punto alejado del lugar donde la persona está en contacto con él. Por ejemplo, una grúa que estaba conectada a tierra al sistema neutral y que contactaba con una línea energizada expondría a cualquier persona en contacto con la grúa o su línea de carga no aislada a un voltaje de contacto casi igual al voltaje de falla total.

El "voltaje de malla" es un factor calculado o medido cuando se instala una red de conductores de puesta a tierra. El voltaje de la malla es la mayor diferencia de potencial entre los objetos metálicos conectados a la red y el suelo dentro de la red, en las peores condiciones de falla. Es importante porque una persona puede estar parada dentro de la red en un punto con un gran voltaje en relación con la propia red.

Mitigación

Se puede utilizar un análisis de ingeniería del sistema de energía en condiciones de falla para determinar si se desarrollarán o no voltajes de paso y contacto peligrosos. El resultado de este análisis puede mostrar la necesidad de medidas de protección y puede orientar la selección de las precauciones adecuadas.

Se pueden usar varios métodos para proteger a los empleados de gradientes de potencial de tierra peligrosos, incluidas zonas equipotenciales, equipos de aislamiento y áreas de trabajo restringidas.

La creación de una zona equipotencial protegerá al trabajador que se encuentre dentro de ella de voltajes peligrosos de paso y contacto. Tal zona se puede producir mediante el uso de una estera metálica conectada al objeto conectado a tierra. Por lo general, esta estera de metal (o malla de tierra) se conecta a varillas de tierra enterradas para aumentar el contacto con la tierra y reducir efectivamente la impedancia de la red. En algunos casos, se puede utilizar una red de puesta a tierra para igualar el voltaje dentro de la red. Sin embargo, las zonas equipotenciales no protegerán a los empleados que estén total o parcialmente fuera del área protegida. La unión de objetos conductores en el área de trabajo inmediata también se puede utilizar para minimizar el voltaje entre los objetos y entre cada objeto y tierra. (Sin embargo, unir un objeto fuera del área de trabajo puede aumentar el voltaje de contacto con ese objeto en algunos casos).

El uso de equipo de protección personal aislante, como guantes de goma, puede proteger a los empleados que manipulan equipos y conductores conectados a tierra de voltajes de contacto peligrosos. El equipo de aislamiento debe estar clasificado para el voltaje más alto que se puede imprimir en los objetos conectados a tierra en condiciones de falla (en lugar de para el voltaje total del sistema).

Los trabajadores pueden estar protegidos de voltajes peligrosos de paso o contacto prohibiendo el acceso a áreas donde pueden ocurrir voltajes peligrosos, como dentro de los límites de la subestación o áreas cercanas a torres de transmisión. Los trabajadores que deben manipular conductores o equipos conectados a un sistema de puesta a tierra pueden requerir guantes protectores u otras medidas para protegerlos de conductores energizados accidentalmente.

En las subestaciones eléctricas, la superficie puede estar cubierta con una capa de piedra triturada o asfalto de alta resistividad. La capa de superficie proporciona una alta resistencia entre los pies y la rejilla de tierra, y es un método eficaz para reducir el peligro de tensión de paso y contacto.

Cálculos

En principio, el potencial de la red V de la red de tierra se puede calcular utilizando la Ley de Ohm si se conocen la corriente de falla ( I f ) y la resistencia de la red ( red Z ).

Si bien la corriente de falla de un sistema de distribución o transmisión generalmente se puede calcular o estimar con precisión, el cálculo de la resistencia de la red de tierra es más complicado. Las dificultades de cálculo surgen de la forma extendida e irregular de las cuadrículas de tierra prácticas y la resistividad variable del suelo a diferentes profundidades.

En puntos fuera de la red terrestre, el aumento potencial disminuye. El caso más simple del potencial a distancia es el análisis de un electrodo de varilla accionado en tierra homogénea. El perfil de voltaje viene dado por la siguiente ecuación.

dónde

es un punto desde el centro de la rejilla terrestre (en metros).
es el voltaje a la distancia de la red de tierra, en voltios .
es la resistividad de la tierra, en Ω · m.
es la corriente de falla a tierra, en amperios .

Este caso es un sistema simplificado; Los sistemas prácticos de puesta a tierra son más complejos que una sola varilla y el suelo tendrá una resistividad variable. Sin embargo, se puede decir con certeza que la resistencia de una rejilla de tierra es inversamente proporcional al área que cubre; esta regla se puede utilizar para evaluar rápidamente el grado de dificultad de un sitio en particular. Los programas que se ejecutan en computadoras personales de escritorio pueden modelar los efectos de la resistencia del suelo y producir cálculos detallados del aumento del potencial del suelo, utilizando varias técnicas, incluido el método de elementos finitos .

Normas y reglamentaciones

La Administración de Salud y Seguridad Ocupacional de los EE. UU. (OSHA) ha designado al EPR como un "peligro conocido" y ha emitido reglamentos que rigen la eliminación de este peligro en el lugar de trabajo.

Los equipos de protección y aislamiento se fabrican de acuerdo con los estándares nacionales e internacionales descritos por IEEE , Códigos Eléctricos Nacionales (UL / CSA), FCC y Telcordia.

IEEE Std. 80-2000 es un estándar que aborda el cálculo y la mitigación de los voltajes de paso y contacto a niveles aceptables alrededor de las subestaciones eléctricas.

Protección de alto voltaje de circuitos de telecomunicaciones.

En sí mismo, un aumento de potencial de tierra no es dañino para ningún equipo o persona conectada al mismo potencial de tierra. Sin embargo, cuando un conductor (como una línea metálica de telecomunicaciones) conectado a un potencial de tierra remoto (como la Oficina Central / Centralita) ingresa al área sujeta a GPR, la diferencia conflictiva de potenciales puede crear riesgos significativos. El alto voltaje puede dañar el equipo y representar un peligro para el personal. Para proteger los circuitos de control y comunicación por cable en las subestaciones, se deben aplicar dispositivos de protección. Los dispositivos de aislamiento evitan la transferencia de potencial dentro o fuera del área GPR. Esto protege al equipo y al personal que de otro modo podrían estar expuestos simultáneamente a ambos potenciales de tierra y también evita que los altos voltajes y corrientes se propaguen hacia la oficina central de la compañía telefónica u otros usuarios conectados a la misma red. Los circuitos pueden aislarse mediante transformadores o mediante acoplamientos de fibra óptica no conductores . (Los dispositivos de detención de sobretensión, como bloques de carbón o derivaciones de tubos de gas a tierra, no aíslan el circuito, sino que desvían las corrientes de alto voltaje del circuito protegido a la tierra local. Este tipo de protección no protegerá completamente contra los peligros de GPR donde el peligro es de una tierra remota en el mismo circuito.)

Los estándares de telecomunicaciones definen una "zona de influencia" alrededor de una subestación, dentro de la cual, los equipos y circuitos deben protegerse del efecto del aumento del potencial de tierra. En la práctica norteamericana, se considera que la zona de influencia está delimitada por el "punto de 300 voltios", que es el punto a lo largo de un circuito de telecomunicaciones en el que el GPR alcanza los 300 voltios con respecto a la tierra distante. El punto de 300 voltios que define una zona de influencia alrededor de una subestación depende de la resistividad del suelo y la cantidad de corriente de falla . Definirá un límite a cierta distancia de la cuadrícula de tierra de la subestación. Cada subestación tiene su propia zona de influencia ya que las variables explicadas anteriormente son diferentes para cada ubicación.

En el Reino Unido, cualquier sitio sujeto a un Rise-of-Earth-Potential (ROEP) se denomina "Hot-Site". Históricamente, la Zona de Influencia se midió en cualquier lugar dentro de los 100 m del límite del complejo de alto voltaje en un Sitio Caliente. Dependiendo del tamaño del sitio en general, esto puede significar que partes de un sitio más grande no necesitan ser clasificadas como 'calientes', o (por el contrario) la influencia de sitios pequeños puede extenderse a áreas fuera del control del propietario de la tierra. Desde 2007, se permite utilizar la Recomendación S34 de la Asociación de redes de energía (ENA) ('Una guía para evaluar el aumento del potencial terrestre en los sitios de las subestaciones') para calcular la zona caliente. Esto ahora se define como una línea de contorno donde el ROEP excede los 430 V para líneas eléctricas de confiabilidad normal o 650 V para líneas de alta confiabilidad. La 'Zona' se extiende en un radio desde cualquier trabajo de metal adherido, como el sistema de electrodos de tierra del sitio o la cerca delimitadora. Esto puede reducir efectivamente el tamaño total de la Zona Caliente en comparación con la definición anterior. Sin embargo, pelar los electrodos de tierra y cualquier revestimiento metálico / blindaje de cables de alimentación que no esté aislado eficazmente que se extienda fuera de esta zona seguiría considerándose como `` caliente '' para una distancia de 100 m desde el límite, que abarque un ancho de dos metros. a cada lado del conductor. Es responsabilidad del propietario de la industria de suministro eléctrico (ESI) calcular la zona caliente.

Openreach (una empresa del Grupo BT encargada de instalar y mantener una gran mayoría de la red telefónica física en el Reino Unido) mantiene un Registro Hot-Site, actualizado cada 12 meses mediante información proporcionada voluntariamente por las empresas ESI en el Reino Unido. Cualquier ingeniero de Openreach que visite un sitio en el registro debe estar capacitado en Hot-Site. Se deben seguir ciertas prácticas de trabajo y consideraciones de planificación, como no usar cables telefónicos blindados, sellar completamente las uniones de los cables para evitar el acceso, cubrir los pares de cables individuales más allá del extremo de la cubierta del cable y aislar (fuera de la zona caliente). ) cualquier línea en la que trabajar. Se asume que es responsabilidad de la parte que ordena la instalación inicial de un servicio para cubrir el costo de proporcionar enlaces de aislamiento, dispositivos de aislamiento del servicio y enlaces troncales claramente marcados para el tendido de cables, y todo debe ser parte del proceso de planificación.

En algunas circunstancias (como cuando un sitio 'frío' se actualiza a estado 'caliente'), la Zona de Influencia puede abarcar propiedades residenciales o comerciales que no están dentro de la propiedad de la Industria de Suministro Eléctrico. En estos casos, el costo de proteger retroactivamente cada circuito telefónico puede ser prohibitivamente alto, por lo que se puede suministrar un electrodo de drenaje para devolver efectivamente el potencial de tierra local a niveles seguros.

Ver también

Referencias

[1] Comité de trabajo de ACIF CECRP / WC18, AS / ACIF S009: 2006 Requisitos de instalación para cableado del cliente (reglas de cableado) , Foro de la industria de comunicaciones de Australia, North Sydney, Australia (2006) ISBN  1-74000-354-3

enlaces externos