Nota técnica | Tensión de contacto en subestaciones abiertas de alta tensión según IEC | Daniel F. Pepe

 

En esta nota técnica se calcula la duración máxima admisible de la tensión de contacto, Uc, en subestaciones abiertas de alta tensión de acuerdo con la especificación técnica IEC TS 60479-1:2005 y se la compara con la calculada según la IEEE Std. 80.

Por: Daniel F. Pepe (Ing. Electricista, UBA)

Los valores de los tiempos de desconexión de la curva de la tensión de contacto Uc se calculan con los valores de la curva c2 de la figura 20 de la especificación técnica IEC TS 60479-1:2005 y los valores de la impedancia total del cuerpo humano, con la piel transpirada, con superficies de contacto importantes, se calculan a partir de los valores dados por la misma especificación técnica.

Tabla 1 - Valores obtenidos gráficamente de la figura 20 de la IEC TS 60479-1 de la curva C2, para un recorrido de corriente alterna (15 a 100 Hz) entre la mano izquierda y ambos pies, bajo los cuales la probabilidad de que se produzca la fibrilación ventricular es menor o igual al 5%

Corriente por el cuerpo humano

En la tabla 1 se indican los valores de la curva c2, que fue establecida convencionalmente para un recorrido de corriente alterna (15 a 100 Hz) entre la mano izquierda y ambos pies y bajo la cual la probabilidad de que se produzca la fibrilación ventricular es menor o igual al 5%.
La IEC TS 60479-1:2005 no especifica los pares de valores de la tabla 1, sino que estos valores han sido seleccionados de forma tal que la curva de la figura 1 coincida con la mayor exactitud posible que permite la comparación gráfica, con la curva c2 de la figura 20 de la IEC TS 60479-1.

Impedancia del cuerpo humano

Para representar a la piel transpirada se considera que en las superficies de contacto, la mano izquierda se encuentra húmeda y los pies se encuentran húmedos y salados.
De acuerdo con la figura 3 de la IEC TS 60479-1, la impedancia total del cuerpo humano que alcanza o supera el 50% de la población, con la piel transpirada y con superficies de contacto importantes (10.000 mm²), para un recorrido de corriente alterna (50 Hz) entre la mano izquierda y ambos pies, ZT•tm2p, se puede calcular con la siguiente expresión:
ZT•tm2p = 0,5 ZT•h2m + 0,25 ZT•hs2m

donde
ZT•h2m es la impedancia total del cuerpo humano que alcanza o supera el 50% de la población, con la piel húmeda y con superficies de contacto importantes (10.000 mm²), para un recorrido de corriente alterna (50 Hz) entre ambas manos según la tabla 2 de la IEC TS 60479-1.
ZT•hs2m es la impedancia total del cuerpo humano que alcanza o supera el 50% de la población, con la piel húmeda y salada y con superficies de contacto importantes (10 000 mm²), para un recorrido de corriente alterna (50 Hz) entre ambas manos según la tabla 3 de la IEC TS 60479-1.
En la tabla 2 se indican los valores anteriores en función de la tensión de contacto sin resistencias que limiten la corriente por el cuerpo humano, Ucs.

Tensión de contacto
La corriente que circula por el cuerpo humano, Ic, se calcula mediante la fórmula siguiente:
Ic = Ucs / ZT•tm2p

A cada valor de la corriente por el cuerpo humano, Ic, le corresponde una duración máxima admisible de acuerdo con la figura 1.
La tensión de contacto considerando las resistencias que limitan la corriente por el cuerpo humano, Uc, se puede calcular con la fórmula siguiente:


Tabla 2 - Impedancia total del cuerpo humano, con la piel transpirada y con superficies de contacto importantes, para un recorrido de corriente alterna (50 Hz) entre la mano izquierda y ambos pies, que alcanza o supera el 50% de la población

La IEC no especifica resistencias adicionales, pero se pueden obtener de normas europeas, por ejemplo, la norma BS 7354:1990.
El valor medio de la impedancia para el calzado seco es:

Zzapato = 4.000 Ω

La resistencia de contacto entre el calzado y el suelo se puede calcular en función de la resistividad del suelo, ρ, con la expresión siguiente:

Rcontacto = 3 ρ [Ω]

Si sobre el suelo se coloca una capa de piedra partida con una resistividad, ρpp, mayor que la resistividad del suelo subyacente, ρs, la resistividad se puede obtener de la expresión siguiente:

donde
K es un coeficiente que es usualmente negativo y que se calcula mediante la fórmula siguiente:

hpp es la profundidad de la capa de piedra partida, en metros.
En la figura 2 se muestra un esquema simplificado del circuito considerado para obtener los valores de la tensión de contacto, Uc, cuya duración máxima admisible es la correspondiente a la duración máxima admisible de la corriente por el cuerpo humano, Ic, y en la figura 3 se representan dichos valores.

 

Cálculo simplificado

Los valores límites de la tensión de contacto se pueden calcular en forma simplificada, en base a los resultados de los estudios realizados por Dalziel y de acuerdo con la IEEE Std. 80, mediante la ecuación siguiente:

Uc = (1000 + 1,5 ρ) . 0,157 / ts½ = (157 + 0,235 ρ) / ts½
donde
ρ es la resistividad del suelo en ohm-metro.
ts es tiempo de exposición en segundos.
En la figura 3 se comparan las curvas obtenidas de acuerdo a la IEC con los resultados de la ecuación anterior.

                         

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Figura 1 - Curva convencional para un recorrido de corriente alterna (15 a 100 Hz) entre la mano izquierda y ambos pies, bajo la cual la probabilidad de que se produzca la fibrilación ventricular es menor o igual a 5 % | Figura 2 - Esquema simplificado del circuito considerado para obtener la tensión de contacto, teniendo en cuenta las resistencias que limitan la corriente por el cuerpo humano | Figura 3 - Duración máxima admisible de la tensión de contacto en función de la resistividad del suelo en subestaciones abiertas de alta tensión calculada según la IEC (líneas llenas) comparada con la calculada según la IEEE (líneas de trazos)

Conclusión

De acuerdo con la comparación antes citada, los valores límites de la tensión de contacto calculados de acuerdo con la IEEE Std. 80 se pueden utilizar en reemplazo de los valores calculados según la IEC en la mayoría de los casos prácticos de subestaciones abiertas de alta tensión.
Es de hacer notar que tanto los valores calculados de acuerdo con la IEC como los valores calculados de acuerdo con la IEEE se pueden utilizar para subestaciones de alta tensión, pero no son adecuados para instalaciones industriales de media tensión en las cuales no se puede asegurar que se cumplan los mismos procedimientos de seguridad que en las subestaciones de alta tensión.
Por otra parte, fuera de los límites de las instalaciones de alta tensión, donde tienen acceso personas si capacitación o el público en general, los valores de la tensión de contacto no deben ser mayores que los establecidos en la norma IRAM 2281-3.

Bibliografía
IEC TS 60479-1:2005 - Effects of current on human beings and livestock - Part 1: General aspects.
BS 7354:1990 - Design of high-voltage open-terminal stations.
Transener - Guía de Diseño y Normas para Puesta a Tierra de Estaciones transformadoras.
ANSI IEEE Std. 80:2000 - IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
IRAM 2281-3 (en estudio) - Puesta a tierra de sistemas eléctricos - Instalaciones con tensiones nominales menores o iguales a 1 kV

 

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