Aumento del potencial terrestre

En ingeniería eléctrica , el aumento del potencial de tierra ( EPR , por sus siglas en inglés), también llamado aumento del potencial de tierra ( GPR , por sus siglas en inglés), ocurre cuando una corriente elevada fluye hacia tierra a través de la impedancia de la red de tierra . El potencial con respecto a un punto distante de la Tierra es máximo en el punto donde la corriente entra al suelo y disminuye con la distancia a la fuente. El aumento del potencial de tierra es un factor importante en el diseño de subestaciones eléctricas, ya que el alto potencial puede representar un peligro para las personas o los equipos.

La variación de voltaje con la distancia ( gradiente de potencial ) puede ser tan elevada que una persona podría resultar herida debido a la tensión generada entre sus pies o entre el suelo donde se encuentra y un objeto metálico. Cualquier objeto conductor conectado a la toma de tierra de la subestación, como cables telefónicos, raíles, vallas o tuberías metálicas, también puede energizarse con el potencial de tierra de la subestación. Este potencial transferido representa un peligro para las personas y los equipos que se encuentran fuera de la subestación.

El aumento del potencial de tierra (EPR, por sus siglas en inglés) es causado por fallas eléctricas que ocurren en subestaciones eléctricas, centrales eléctricas o líneas de transmisión de alta tensión. La corriente de cortocircuito fluye a través de la estructura y el equipo de la planta y hacia el electrodo de puesta a tierra . ^{[ 1 ]} 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 voltaje peligroso, a cientos de metros de la ubicación real de la falla. Muchos factores determinan el nivel de peligro, incluyendo: la corriente de falla disponible, el tipo de suelo, la humedad del suelo, la temperatura, las capas de roca subyacentes y el tiempo de despeje 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 aumento del potencial de tierra en una instalación como una subestación de distribución eléctrica puede exponer a personal, usuarios o 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 energizado. Equivale a la diferencia de tensión, según la curva de distribución de tensión, entre dos puntos situados a distintas distancias del electrodo. Una persona podría sufrir lesiones durante una falla simplemente por estar cerca del punto de conexión a tierra.

La tensión de contacto es la tensión entre el objeto energizado y los pies de una persona que está en contacto con él. Es igual a la diferencia de tensión entre el objeto y un punto situado a cierta distancia. La tensión de contacto podría ser casi igual a la tensión total que atraviesa el objeto conectado a tierra si este se encuentra en un punto alejado del lugar donde la persona está en contacto con él. Por ejemplo, una grúa conectada a tierra al neutro del sistema 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 una tensión de contacto casi igual a la tensión de falla total.

La tensión de malla es un factor que se calcula o mide al instalar una red de conductores de puesta a tierra. Representa la mayor diferencia de potencial entre los objetos metálicos conectados a la red y el suelo dentro de ella, en las peores condiciones de falla. Es importante porque una persona podría encontrarse dentro de la red en un punto con una tensión elevada con respecto a la propia red.

Un análisis de ingeniería del sistema eléctrico en condiciones de falla permite determinar si se generarán tensiones de paso y de contacto peligrosas. El resultado de este análisis puede indicar la necesidad de medidas de protección y orientar la selección de las precauciones adecuadas.

Para proteger a los empleados de los gradientes peligrosos de potencial a tierra, se pueden utilizar diversos métodos, como zonas equipotenciales, equipos aislantes y áreas de trabajo restringidas.

La creación de una zona equipotencial protegerá al trabajador que se encuentre dentro de ella de las tensiones peligrosas por contacto y paso. Dicha zona se puede crear mediante una malla metálica conectada al objeto conectado a tierra. Generalmente, esta malla metálica (o malla de tierra) se conecta a varillas de tierra enterradas para aumentar el contacto con la tierra y reducir eficazmente la impedancia de la red. ^{[ 2 ]} En algunos casos, se puede utilizar una red 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 equipotencial de objetos conductores en el área de trabajo inmediata también puede utilizarse para minimizar la tensión entre los objetos y entre cada objeto y tierra. (No obstante, en algunos casos, conectar un objeto fuera del área de trabajo puede aumentar la tensión de contacto con dicho objeto).

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 las tensiones de contacto peligrosas. El equipo aislante debe estar clasificado para la tensión máxima que puede aplicarse a los objetos conectados a tierra en condiciones de falla (en lugar de para la tensión total del sistema).

Los trabajadores pueden protegerse de las tensiones peligrosas por contacto o paso prohibiendo el acceso a zonas donde puedan producirse tensiones peligrosas, como dentro de los límites de las subestaciones o cerca de las torres de transmisión. Los trabajadores que manipulen conductores o equipos conectados a un sistema de puesta a tierra pueden necesitar guantes de protección u otras medidas para protegerse de conductores energizados accidentalmente.

En las subestaciones eléctricas, la superficie puede estar cubierta con una capa de alta resistividad de piedra triturada o asfalto. Esta capa superficial proporciona una alta resistencia entre los pies y la red de tierra, y es un método eficaz para reducir el riesgo de descargas eléctricas por contacto.

En principio, el potencial de la red de tierra _Vgrid se puede calcular utilizando la ley de Ohm si se conocen la corriente de falla ( If ₎ y la resistencia de la red ( _Zgrid ) .$${\displaystyle V_{\text{grid}}=I_{\text{f}}\times Z_{\text{grid}}}$$

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 complejo. Las dificultades en el cálculo se deben a la forma extensa e irregular de las redes de tierra prácticas y a la resistividad variable del suelo a diferentes profundidades.

En 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 impulsado en tierra homogénea. El perfil de voltaje viene dado por la siguiente ecuación. $${\displaystyle V_{r}={\frac {\rho I}{2\pi r_{x}}}}$$ dónde

• ${\displaystyle r_{x}}$es la distancia de un punto al centro de la cuadrícula terrestre (en metros).
• ${\displaystyle V_{r}}$es el voltaje a distancia${\displaystyle r_{x}}$desde la red terrestre, en voltios .
• ${\displaystyle \rho }$es la resistividad de la tierra, en Ω ·m.
• ${\displaystyle I}$es la corriente de falla a tierra, en amperios .

Este caso representa un sistema simplificado; los sistemas de puesta a tierra prácticos son más complejos que una simple varilla, y el suelo presenta una resistividad variable. Sin embargo, se puede afirmar con certeza que la resistencia de una red de tierra es inversamente proporcional al área que cubre; esta regla permite evaluar rápidamente la dificultad de un emplazamiento determinado. Los programas que se ejecutan en ordenadores personales de sobremesa pueden modelar los efectos de la resistencia del terreno y generar cálculos detallados del aumento del potencial del terreno, utilizando diversas técnicas, incluido el método de elementos finitos .

La Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos (OSHA) ha designado el EPR como un "riesgo conocido" y ha emitido regulaciones que rigen la eliminación de este riesgo en el lugar de trabajo. ^{[ 3 ]}

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

La norma IEEE Std. 80-2000 aborda el cálculo y la mitigación de las tensiones de paso y de contacto a niveles aceptables en las proximidades de las subestaciones eléctricas.

En sí mismo, un aumento del potencial de tierra no es perjudicial para ningún equipo ni persona conectados al mismo potencial de tierra. Sin embargo, cuando un conductor (como una línea de telecomunicaciones metálica) conectado a un potencial de tierra remoto (como la central telefónica) entra en la zona sujeta a la prueba de penetración de tierra (GPR), la diferencia de potenciales puede generar riesgos significativos. El alto voltaje puede dañar el equipo y representar un peligro para el personal. Para proteger los circuitos de comunicación y control cableados en las subestaciones, se deben aplicar dispositivos de protección. Los dispositivos de aislamiento impiden la transferencia de potencial hacia dentro o hacia fuera de la zona GPR. Esto protege el 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 central telefónica u otros usuarios conectados a la misma red. Los circuitos pueden aislarse mediante transformadores o acoplamientos de fibra óptica no conductores . (Los dispositivos de protección contra sobretensiones, como los bloques de carbono o las 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 protege completamente contra los peligros de la georradar 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, la zona de influencia se considera delimitada por el "punto de 300 voltios", que es el punto a lo largo de un circuito de telecomunicaciones en el que el potencial de tierra alcanza los 300 voltios con respecto a 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 magnitud de la corriente de falla . Definirá un límite a cierta distancia de la red 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 emplazamiento sujeto a un aumento del potencial de tierra (ROEP, por sus siglas en inglés) se denomina «sitio caliente». Históricamente, la zona de influencia se medía como cualquier punto dentro de un radio de 100 m del límite del recinto de alta tensión en un sitio caliente. Dependiendo del tamaño del emplazamiento, esto puede significar que partes de un emplazamiento más grande no necesiten clasificarse como «calientes», o (a la inversa) la influencia de emplazamientos pequeños puede extenderse a áreas fuera del control del propietario del terreno. Desde 2007, se permite utilizar la Recomendación S34 de la Energy Networks Association (ENA) ^{[ 6 ]} («Guía para evaluar el aumento del potencial de tierra en emplazamientos de subestaciones») para calcular la zona caliente. Esta se define ahora como una línea de contorno que marca donde el ROEP supera los 430 V para líneas eléctricas de fiabilidad normal, o los 650 V para líneas de alta fiabilidad. La «Zona» se extiende en un radio desde cualquier estructura metálica conectada, como el sistema de puesta a tierra del emplazamiento o la valla perimetral. Esto puede reducir el tamaño total de la Zona Caliente en comparación con la definición anterior. Sin embargo, los electrodos de puesta a tierra sin aislamiento y cualquier cubierta/armadura metálica de cables de alimentación con aislamiento deficiente que se extienda fuera de esta zona seguirán considerándose «calientes» en un radio de 100 m desde el límite, abarcando un ancho de dos metros a cada lado del conductor. Es responsabilidad de la empresa propietaria de la red eléctrica calcular la Zona Caliente.

Openreach (una empresa del Grupo BT encargada de la instalación y el mantenimiento de la mayor parte de la red telefónica física del Reino Unido) mantiene un Registro de Sitios en Riesgo, actualizado cada 12 meses con información proporcionada voluntariamente por las empresas ESI del Reino Unido. Todo técnico de Openreach que visite un sitio incluido en el registro debe estar capacitado para trabajar en sitios en riesgo. Deben seguirse ciertas prácticas de trabajo y consideraciones de planificación, como no utilizar cables telefónicos blindados, sellar completamente las uniones de los cables para impedir el acceso, cubrir con funda los pares de cables individuales más allá del extremo de la cubierta del cable y aislar (fuera de la Zona en Riesgo) cualquier línea en la que se vaya a trabajar. Se asume que es responsabilidad de la parte que solicita la instalación inicial de un servicio cubrir el costo de proporcionar enlaces de aislamiento, dispositivos de aislamiento de servicio y canalizaciones claramente marcadas para el tendido de cables, y todo ello debe formar parte del proceso de planificación.

En determinadas circunstancias (como cuando una instalación "fría" pasa a estar "activa"), la zona de influencia puede abarcar propiedades residenciales o comerciales que no pertenecen a la red eléctrica. En estos casos, el coste de proteger retroactivamente cada circuito telefónico puede ser prohibitivo, por lo que se puede instalar un electrodo de drenaje para restablecer el potencial de tierra local a niveles seguros.

• Retorno a tierra de un solo cable
• Voltaje parásito

[1] Comité de Trabajo ACIF CECRP/WC18, AS/ACIF S009:2006 Requisitos de instalación para el cableado del cliente (Reglas de cableado) , Foro de la Industria de las Comunicaciones de Australia, North Sydney, Australia (2006) ISBN 1-74000-354-3

• https://web.archive.org/web/20061010124312/http://www.acif.org.au/__data/page/15836/S009_2006r.pdf AS/ACIF S009:2006 Requisitos de instalación para el cableado del cliente (Reglas de cableado).
• http://esgroundingsolutions.com/ Información sobre estudios de elevación del potencial del terreno
• https://www.osha.gov/pls/oshaweb/owadisp.show_document?p_table=STANDARDS&p_id=9868 OSHA 29 CFR 1910.269
• http://www.davas.co.nz Archivado el 24/05/2010 en Wayback Machine
• Vídeo explicativo sobre el aumento del potencial de tierra y las tensiones de paso y de contacto.