DISEO DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA PARTIENDO DE UN MODELO BIESTRATIFICADO DE TERRENO, APLICANDO UN SOFTWARE
COMPUTACIONAL EN EL SECTOR INDUSTRIAL
Jimnez Z. Jonathan M., Pacheco G. ngel T., Quizhpi P. Flavio A. Universidad Politcnica Salesiana
Carrera De Ingeniera Elctrica Campus El Vecino: Calle Vieja 12-30 Y Elia Liut
Cuenca-Ecuador
Resumen:
Se aborda un problema tpico en la ingeniera elctrica, el diseo de sistema de puesta a tierra, que tiene una diversidad de criterios. El artculo presenta los aspectos normalizados en la IEEE y las experiencias de los autores para el apropiado diseo del sistema de puesta a tierra aplicado en instalaciones de tipo industrial, se desarrolla una aplicacin sobre MatLab para cumplir con el objetivo. Se tom como referencia una proyeccin de una modelacin de terrenos biestratificados. Se ha validado los resultados comparndolos con diseos que prestan garantas con los ndices de seguridad, se han comparado diseos expresados como referentes por algunas empresas elctricas o industriales y diseos que proporcionan software especializados como el caso del CYMDIST. La propuesta desarrollada entrega datos que garantizan un diseo con todos los parmetros de seguridad para la implementacin de los sistemas de puesta a tierra para sistemas industriales.
Palabras claves: puesta a tierra, modelo biestratificado, MatLab, diseo industrial
Abstract
It addresses a common problem in electrical engineering, the design of grounding systems, which has a variety of criteria. The article presents the standardized as IEEE aspects and experiences of the authors for the proper design of grounding system applied in industrial type installations, developing an application in MATLAB for meet the objective. Was taken as reference a projection of a ground bilayered modeling. It has been validated by comparing results with designs that provide guarantees safety indices, were compared as reference designs expressed by some utilities or industrial designs that provide specialized software such as CYMDIST case. The proposal developed that guarantee data delivery design all security guarantees for the implementation of the grounding systems for industrial systems.
Index terms: grounding, bilayered model, MatLab, industrial design
1. Introduccin
Un sistema de puesta a tierra debe proporcionar un camino directo a tierra para las corrientes de falla y minimizar los potenciales de paso y contacto (IEEE, 2000), para ello se requiere clculos de diseo de malla muy complejos y extensos, de ah la necesidad de crear un software que permita calcular estos parmetros tolerables por el cuerpo humano, as como los potenciales que se generan en la periferia de la malla de puesta a tierra para sectores industriales, de manera rpida y efectiva.
El adquirir un software comercial que disee sistemas de puesta a tierra puede resultar inalcanzable para muchos organismos educativos o profesionales, se pretende entregar una herramienta de diseo con la garanta de resultados y de acceso para los entes nombrados.
En este trabajo se presentan, la medidas y clculos que deben ser considerados para el diseo de mallas de puesta a tierra en el sector industrial, a partir de establecer un modelo uniforme o biestratificado (J. Jimnez, 2013).
Los modelos clsicos para el diseo de puestas a tierra consideran, por simplicidad, al terreno como una superficie nica. Sin embargo, las caractersticas reales de los terrenos estn constituidas por dos o ms capas de materiales. Surge la necesidad de crear un algoritmo capaz de analizar modelos de suelos uniformes o biestratificados y as obtener un modelo biestratificado efectivo para implementar una metodologa para el diseo de malla de puesta a tierra (J. Jimnez, 2013).
A partir de la introduccin de los lenguajes de programacin se han desarrollado varias aplicaciones para el diseo de sistemas de puestas a tierra, se han aplicado muchos de los modelos desarrollados por Tagg (Tagg, 1964) hasta los actuales desarrollados por grandes casas comerciales tales como el DigSILENT de PowerFactory (PowerFactory, 2013) o el CymDist (Goswami, 2007) que permiten, adems de analizar parmetros del sistema, revisar valores de los diseos de los sistemas de proteccin y entre ellos los de los diseos de puesta tierra.
El desarrollo de la investigacin se basa en la descripcin y aplicacin de los conceptos y recomendaciones definidas en la metodologa utilizada por la norma IEEE STD 80/81 (IEEE, 2000), norma ANSI/IEEE std 81-1983 (ANSI/IEEE, 1983), norma IEEE 142 - 1991 (IEEE, 1991), publicaciones y prcticas relacionadas con el sector industrial, por tal razn, en caso de falla a tierra de tipo industrial (60 Hz). El sistema de puesta a tierra asegura la integridad fsica a las personas y a las instalaciones as como la apropiada operacin de los equipos y sistemas de proteccin.
2. Mtodo de clculo para el sistema de tierra
Mediante el mtodo de Sverak's (Colominas, 1994) se calcula la resistencia del sistema de tierra tomando en cuenta el rea ocupada por el reticulado, la profundidad de enterramiento, y la longitud total de conductores utilizados para dicho reticulado (IEEE, 2000).
De acuerdo a las mediciones realizadas obtenemos la ecuacin (1) y (2)
= 1
+
1
20 1 +
1
1+ 20
(1)
=2
4+
1
(2)
En donde:
: es la resistencia de la red de tierra en ohm
: es la resistividad promedio en -m
: es el rea de la malla
: es la longitud total del conductor encerrado
1 : es la resistividad del primer estrato en -m
2 : es la resistividad del segundo estrato en -m
El clculo de la red de tierras se basa en conseguir que las diferencias de potencial que puedan aparecer en la malla no superen en ningn momento los potenciales admisibles, ver ecuacin (3).
=
(3)
: es el coeficiente que considera el efecto que tienen el nmero de conductores paralelos , el espaciamiento , el dimetro , y la profundidad del enterramiento de los conductores que forman la red (IEEE, 2000). El valor de se calcula mediante la expresin (4)
= 1
2
2
16+
+2 2
8
4 +
8
21 (4)
es el factor de ponderacin correctivo que se ajusta por los efectos de los conductores internos en la esquina de la malla (IEEE, 2000).
Para rejillas con varillas de aterrizaje a lo largo de su permetro, o para rejillas con varillas de aterrizaje en sus esquinas, o los dos
= 1
Para rejillas sin varillas de aterrizaje o rejillas con pocas varillas de aterrizaje, o ninguna de ellas, se coloca en las esquinas o en el permetro (IEEE, 2000) se aplica la ecuacin (5).
=1
2 2
(5)
es el factor de ponderacin correctivo, aplicando (6), que enfatiza el efecto de la profundidad de la malla (IEEE, 2000).
= 1 +
0 (6)
0 = 1 (profundidad de referencia de la rejilla).
Ecuaciones vlidas para mallas enterradas entre 0.25m y 2.5m de profundidad (IEEE, 2000).
El nmero efectivo de conductores paralelos en una rejilla dada, la cual se puede aplicar a rejillas de forma cuadrada, rectangular de forma irregular (IEEE, 2000), aplicando la expresin (7).
= (7)
Donde:
=2
(8)
: es igual a 1 para mallas cuadradas
: es igual a 1 para mallas cuadradas y rectangulares
: es igual a 1 para mallas cuadradas, rectangulares y en L
=
4 (9)
=
0,7
(10)
=
2+
2 (11)
: Es el rea de rejilla
: Es la longitud mxima de la rejilla en la direccin de x
: Es la longitud mxima de la rejilla en la direccin de y
: Es la distancia mxima entre dos puntos cualesquiera de la rejilla
: Es la longitud perimetral de la rejilla horizontal, aplicando (12)
= 2 + 2 (12)
El factor de irregularidad , utilizando junto con el factor anteriormente definido, se calcula con la expresin (13):
= 0.644 + 0.148 (13)
Para calcular los potenciales de paso fuera de la malla se aplica la expresin (14)
=
(14)
= 0.75 + 0.85 (15)
=1
1
2+
1
++
1
1 0.52 (16)
Donde:
: Es la longitud efectiva de los conductores de la red.
: Factor de espaciamiento para la tensin de paso.
3. Programa de clculo
Para la presentacin de las bondades del software desarrollado se aplican caractersticas de un sistema a ser diseado, ver el cuadro 1. Se trata de calcular la malla de tierra de una planta industrial, con una potencia de transformacin de 500 kVA (J. Jimnez, 2013). Al inicializar el programa se presenta la pantalla vista en la figura 1.
Cuadro 1. Valores establecidos para validar el programa (J. Jimnez, 2013).
Figura 1. Pantalla de inicializacin del software desarrollado
En la opcin SPAT INDUSTRIAL (ver figura 2 y 4) se introduce los datos del modelo y la resistividad aparente mostrados en el cuadro 2, valores obtenidos del sistema de modelacin del terreno biestratificado (J. Jimnez, 2013).
Cuadro 2. Valores de resistividad obtenidos para terreno biestratificado
Figura 2. Ventana para el clculo de la malla equivalente sin electrodos.
Una vez que se hayan introducido los datos referentes al terreno, se pasa a la opcin Datos de corriente (ver figura 2 y 4) de falla en la cual se introducirn los siguientes datos:
Voltaje Secundario.
Potencia del transformador.
Impedancia.
Tiempo de duracin de la falta.
Factor divisin de corriente.
Factor de decremento.
Figura 3. Configuracin de la ma
