En ingeniería eléctrica , el aumento del potencial de tierra ( EPR ), también llamado aumento del potencial de tierra ( GPR ), ocurre cuando una gran corriente fluye hacia tierra a través de una impedancia de la red 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 herida debido al voltaje desarrollado entre dos pies o entre el suelo sobre el que se encuentra la persona y un objeto metálico. Cualquier objeto conductor conectado a la 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.
El aumento del 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 conexión a tierra. [1] La resistencia de la Tierra no es cero, por lo que la corriente inyectada en la tierra en el electrodo de conexión a tierra produce un aumento de potencial con respecto a un punto de referencia distante. El aumento de potencial resultante puede causar voltaje peligroso, a muchos cientos de metros de distancia 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 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, a los usuarios o a las estructuras a voltajes peligrosos.
La "tensión de paso" es la tensión entre los pies de una persona que se encuentra cerca de un objeto conectado a tierra y que está energizado. Es igual a la diferencia de tensión, dada por la curva de distribución de tensión, entre dos puntos a diferentes distancias del "electrodo". Una persona podría correr el riesgo de sufrir lesiones durante una falla simplemente por estar 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 estuviera conectada a tierra al neutro del sistema y que entrara en contacto con una línea energizada expondría a cualquier persona en contacto con la grúa o su línea de carga sin aislamiento a un voltaje de contacto casi igual al voltaje de falla total.
El "voltaje de malla" es un factor que se calcula o mide cuando se instala una red de conductores de puesta a tierra. El voltaje de 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 voltaje alto en relación con la red misma.
Un análisis de ingeniería del sistema eléctrico en condiciones de falla puede utilizarse para determinar si se desarrollarán o no voltajes de paso y de contacto peligrosos. El resultado de este análisis puede mostrar la necesidad de medidas de protección y puede orientar la selección de precauciones adecuadas.
Se pueden utilizar varios métodos para proteger a los empleados de gradientes de potencial de tierra peligrosos, incluidas zonas equipotenciales, equipos aislantes y áreas de trabajo restringidas.
La creación de una zona equipotencial protegerá a un trabajador que se encuentre dentro de ella de tensiones peligrosas de paso y contacto. Dicha zona se puede crear mediante el uso de una estera metálica conectada al objeto conectado a tierra. Por lo general, esta estera metálica (o malla de tierra) se conecta a varillas de tierra enterradas para aumentar el contacto con la tierra y reducir de manera efectiva la impedancia de la red. [2] En algunos casos, se puede utilizar una rejilla de puesta a tierra para igualar la tensión dentro de la red. Sin embargo, las zonas equipotenciales no protegerán a los empleados que se encuentren total o parcialmente fuera del área protegida. La conexión a tierra de objetos conductores en el área de trabajo inmediata también se puede utilizar para minimizar la tensión entre los objetos y entre cada objeto y la tierra. (Sin embargo, la conexión a tierra de un objeto fuera del área de trabajo puede aumentar la tensión de contacto con ese objeto en algunos casos).
El uso de equipos de protección personal aislantes, como guantes de goma, puede proteger a los empleados que manipulan equipos y conductores conectados a tierra de tensiones de contacto peligrosas. El equipo aislante debe estar clasificado para la tensión más alta que se pueda aplicar a los objetos conectados a tierra en condiciones de falla (en lugar de para la tensión total del sistema).
Los trabajadores pueden estar protegidos de tensiones peligrosas de paso o contacto si se les prohíbe el acceso a áreas donde pueden existir tensiones peligrosas, como dentro de los límites de una 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 necesitar guantes protectores u otras medidas para protegerlos de conductores energizados accidentalmente.
En las subestaciones eléctricas, la superficie puede estar cubierta con una capa de alta resistividad de piedra triturada o asfalto. La capa superficial proporciona una alta resistencia entre los pies y la rejilla de tierra, y es un método eficaz para reducir el riesgo de tensión de paso y contacto.
En principio, el potencial de la red de tierra V grid se puede calcular utilizando la ley de Ohm si se conocen la corriente de falla ( If ) y la resistencia de la red ( Z grid ) .
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 en el cálculo surgen de la forma extendida e irregular de las redes de tierra prácticas y de la resistividad variable del suelo a diferentes profundidades.
En los puntos fuera de la red de tierra, el aumento de potencial disminuye. El caso más simple del potencial a distancia es el análisis de un electrodo de varilla hincado en tierra homogénea. El perfil de voltaje viene dado por la siguiente ecuación. donde
Este caso es un sistema simplificado; los sistemas de puesta a tierra prácticos 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 malla de puesta a 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 de puesta a tierra y producir cálculos detallados del aumento del potencial de puesta a tierra, utilizando varias técnicas, incluido el método de elementos finitos .
La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) ha designado al EPR como un "peligro conocido" y ha emitido regulaciones que rigen la eliminación de este peligro en el lugar de trabajo. [3]
Los equipos de protección y aislamiento están fabricados según 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 voltajes de paso y contacto a niveles aceptables alrededor de subestaciones eléctricas.
En sí, un aumento del potencial de tierra no es perjudicial para ningún equipo o persona conectada al mismo potencial de tierra. Sin embargo, cuando un conductor (como una línea de telecomunicaciones metálica) conectada a un potencial de tierra remoto (como la oficina central o la central telefónica) ingresa al área sujeta al GPR, la diferencia de potenciales conflictiva puede crear riesgos significativos. El alto voltaje puede dañar el equipo y presentar 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 hacia o desde el área del GPR. Esto protege al equipo y al personal que, de lo contrario, 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 se pueden aislar mediante transformadores o acoplamientos de fibra óptica no conductores . (Los dispositivos de protección contra sobretensiones, 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 del GPR cuando el peligro proviene de una tierra remota en el mismo circuito).
Las normas de telecomunicaciones definen una "zona de influencia" alrededor de una subestación, dentro de la cual, los equipos y circuitos deben estar protegidos 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. [4] El punto de 300 voltios que define una zona de influencia alrededor de una subestación depende de la resistividad del suelo y de la cantidad de corriente de falla . Definirá un límite a cierta distancia de la rejilla de tierra de la subestación. Cada subestación tiene su propia zona de influencia ya que las variables explicadas anteriormente son diferentes para cada ubicación. [5]
En el Reino Unido, cualquier sitio sujeto a un potencial de elevación de la Tierra (ROEP) se denomina "sitio caliente". La zona de influencia se medía históricamente como 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 pueden no necesitar clasificarse como "calientes" o (por el contrario) la influencia de sitios pequeños puede extenderse a áreas fuera del control del propietario del terreno. Desde 2007, está permitido utilizar la Recomendación S34 [6] de la Asociación de Redes de Energía (ENA) ("Una guía para evaluar el potencial de elevación de la Tierra en sitios de subestaciones") para calcular la zona caliente. Esto ahora se define como una línea de contorno que marca donde el ROEP excede los 430 V para líneas eléctricas de confiabilidad normal o los 650 V para líneas de alta confiabilidad. La "Zona" se extiende en un radio desde cualquier estructura metálica conectada, 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, los electrodos de tierra de tira y cualquier blindaje/vaina metálica no aislada de manera efectiva de los cables de alimentación que se extiendan fuera de esta zona continuarían considerándose como "calientes" a una distancia de 100 m desde el límite, abarcando un ancho de dos metros a cada lado del conductor. Es responsabilidad de la Industria de Suministro Eléctrico (ESI) propietaria calcular la Zona Caliente.
Openreach (una empresa del Grupo BT encargada de instalar y mantener una gran parte de la red telefónica física en el Reino Unido) mantiene un Registro de Sitios Calientes, actualizado cada 12 meses con información proporcionada voluntariamente por las empresas de ESI en el Reino Unido. Cualquier ingeniero de Openreach que visite un sitio en el registro debe estar capacitado para el uso de Sitios Calientes. 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, revestir 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 se trabaje. Se asume que es responsabilidad de la parte que ordena la instalación inicial de un servicio cubrir el costo de proporcionar enlaces de aislamiento, dispositivos de aislamiento de servicio y canalizaciones claramente marcadas para tender cables, y todo esto debe ser parte del proceso de planificación.
En algunas circunstancias (por ejemplo, cuando un sitio "frío" se actualiza a "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 que el potencial de tierra local vuelva a niveles seguros.
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ){{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )[1] Comité de trabajo CECRP/WC18 de la ACIF, AS/ACIF S009:2006 Requisitos de instalación para cableado de clientes (reglas de cableado) , Foro de la industria de las comunicaciones de Australia, North Sydney, Australia (2006) ISBN 1-74000-354-3