Mallas a Tierra en una Subestacin
Mallas a Tierra en una Subestacin Facultad de Ingeniera Elctrica
y ElectrnicaUniversidad Nacional de IngenieraIntroduccin El diseo
de sistemas de puesta a tierra es parte del conjunto de actividades
relacionadas con el dimensionamiento de una subestacin elctrica, lo
que es una actividad esencial. Los datos obtenidos estn basados
principalmente en la Norma ANSI / IEEE standard 80-2000.
Toda instalacin elctrica debe disponer de un sistema de puesta a
tierra(SPT), en tal forma que cualquier punto accesible a las
personas que puedan transitar o permanecer all, no estn sometidas a
tensiones de paso o de contacto que superen los umbrales de
soportabilidad, cuando se presente unafalla, y se debe tener
presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad
de los seres humanos, es la mxima corriente que pueden soportar,
debida a la tensin de paso o de contacto y no el valor de
laresistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Un bajo valor
de resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para
disminuir el mximo potencial de tierra, por tanto al disear un
sistema de puesta a tierra, es fundamental determinar tensiones
mximas aplicadas al ser humano en caso de falla.1. Funciones de una
malla de puesta a tierra Evitan sobrevoltajes producidos por
descargas atmosfricas, operacin o maniobras de disyuntores.Entre
los mas importantes tenemos: Proporcionar una va rpida de descarga
de baja impedancia con el fin de mejorar y asegurar el
funcionamiento de protecciones.Proporcionar seguridad al personal
de la subestacin.
2. Requisitos de una malla a tierraLos requisitos que debe
cumplir una malla de puesta a tierra son los siguientes:La variacin
de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser
despreciable de manera que la corriente de falla a tierra, en
cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las
protecciones.Impedancia de onda de valor bajo para fcil paso de las
descargas atmosfricas.Debe tener una resistencia tal, que el
sistema se considere slidamente puesto a tierra.Debe conducir las
corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos
entre sus puntos vecinos.Al pasar la corriente de falla durante el
tiempo mximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo),
no debe haber calentamientos excesivos.Debe ser resistente a la
corrosin.3. Tensiones de Paso y de Contacto Permisibles3.1 Tensin
de paso:Es la diferencia de potencial entre dos puntos de un
terreno que pueden ser tocados simultneamente por una persona; su
valor permisible esta dado por:
3.2 Tensin de contactoEs la diferencia de potencial entre un
punto en la superficie del terreno y cualquier otro punto que se
pueda ser tocado simultneamente por una persona; su valorpermisible
est dado por:
Tensin de paso Ep y de contacto Et4. Diseo de una Malla a
Tierra: El diseo de una malla a tierra est afectado por las
siguientes variables:
Tensin Permisible de Paso.Tensin Permisible de
contacto.Configuracin de la malla.Resistividad del terrenoTiempo
mximo de despeje de la falla.Conductor de la malla.Profundidad de
instalacin de la malla.4.1 Seleccin del conductor de la Malla: Para
calcular la seccin del conductor se aplica la siguiente
ecuacin:
4.1 Seleccin del conductor de la Malla: Para calcular la seccin
del conductor se aplica la siguiente ecuacin:
En donde:Ac = Seccin del conductor (CM).I = Corriente mxima de
falla (Amp.)Tm = Temperatura mxima en los nodos de la malla (450C
con soldadura y 250C con amarre pernado.)Ta = Temperatura ambiente
(C).t = Tiempo mximo de despeje de la falla (seg).Sin embargo, la
seccin mnima recomendable es 2/0 AWG para la malla y 5/8 para las
varillas, estos valores mnimos estn de acuerdo con prcticas
internacionales.4.2 Tensiones Reales de Paso y de contactoLa tensin
de paso real en una subestacin est dada por:
En donde:
Ep = Tensin de paso real en voltios.ks = Coeficiente que tiene
en cuenta, la influencia combinada de la profundidad y del
espaciamiento de la malla.ki = Coeficiente de irregularidad del
terreno. = Resistividad del suelo (-m)I = Corriente mxima de falla
(Amp)L = Longitud total del conductor (m)La tensin de contacto real
est dado por:
Donde:Et = Tensin de contacto en voltios.k m = Coeficiente que
tiene en cuenta las caractersticas geomtricas de la malla.4.3
Determinacin de los coeficientes km, ki , ks .Para la determinacin
de los coeficientes es necesario tener en cuenta las siguientes
definiciones:
A= Longitud de la malla (m).B= Ancho de la malla(m).L= Longitud
total del conductor (m).n= Nmero de conductores en paralelo de
longitud Am= Nmero de conductores en paralelo de longitud B.D=
Espaciamiento entre conductores (m).h= Profundidad de enterramiento
(m).d= Dimetro del conductor(m)
4.4 Valor de la resistencia de Puestas a Tierra.El clculo de la
resistencia de puesta a tierra se puede hacer por el mtodo de
Laurent y Niemann o por mtodo de Dwinght.
Mtodo de Laurent y Niemann
Este mtodo es bastante aproximado y la expresin para el clculo
es:Donde:R = Resistencia en ohmios.A = rea de la malla de puesta a
tierra en m = Resistividad del suelo (-m)L = Longitud total del
conductor (m).La ecuacin es una aproximacin y su resultado siempre
es mayor que el valor real.5. Criterio de Diseo utilizando
IEEE-80Parmetros crticos:Los siguientes parmetros, que dependen del
sitio de la subestacin, tienen un sustancial impacto en el diseo de
la malla de puesta a tierra:5.1 Corriente mxima a disipar por la
malla (IG):El valor mximo de diseo de la corriente de falla a
tierra que fluye a travs de la malla de la subestacin hasta la
tierra circundante est dado por:
Dnde: IF = 3IO Corriente simtrica de falla a tierra en A.
Df Factor de decremento para tener en cuenta la componente
DC.
Sf Factor de divisin de corriente. CP Factor de crecimiento
futuro de la subestacin, considera el incremento futuro de la
corriente de falla.5.1.1 Corriente simtrica de falla a tierra
(IF):Por razones prcticas, se recomienda hallar los siguientes
tipos de falla:a) Falla lnea lnea tierra, ignorando la resistencia
de la falla y la resistencia de puesta a tierra de la
subestacin:
b) Falla lnea tierra, ignorando la resistencia de la falla y la
resistencia de puesta a tierra de la subestacin:
Dnde: IO Valor RMS de secuencia cero de la corriente simtrica de
falla en A.
E Tensin fase neutro RMS en V.
Z1 Impedancia equivalente de secuencia (+) del sistema en el
punto de falla.
Z2 Impedancia equivalente de secuencia (-) del sistema en el
punto de falla.
ZO Impedancia equivalente de secuencia (0) del sistema en el
punto de falla.5.1.2 Factor de decremento (Df):
En el diseo de la malla a tierra, se debe considerar la
corriente asimtrica de falla, la cual resulta de multiplicar la
corriente simtrica de falla por el factor de decremento, que a su
vez est dado por:
Dnde:
tf Duracin de la falla en s. Ta Constante de tiempo de la
componente DC.
5.1.3 Factor de crecimiento (CP):Si la malla de puesta a tierra
se construye teniendo en cuenta la capacidad total de la
subestacin, y no se consideran aumentos futuros de carga ni de
alimentadores, CP = 1.5.1.4 Clculo del factor de divisin de
corriente (Sf):
El proceso del clculo consiste en derivar una representacin
equivalente de los cables de guarda, neutros, etc. Esto es,
conectarlos a la malla en la subestacin y luego resolver el
equivalente para determinar qu fraccin de la corriente total de
falla fluye entre la malla y la tierra circundante, y qu fraccin
fluye a travs de los cables de guarda o neutros, hacia las tierras
de los pie de torres que entran y sacan lneas de la subestacin. Sf
depende de:a) Localizacin de la falla. b) Magnitud de la
resistencia de la malla de puesta a tierra de la subestacin. c)
Cables y tubos enterrados en las vecindades de la subestacin o
directamente conectados al sistema de puesta a tierra. d) Cables de
guarda, neutros u otras trayectorias de retorno por tierra. e)
Lneas de transmisin que entran y alimentadores que salen de la
subestacin; cantidad, nmero de cables de guarda y la impedancia de
cada uno; cantidad y resistencia de puestas a tierra de pies de
torre; longitud de lneas de transmisin y alimentadores; material y
calibre de cables de guarda y neutros.El factor de divisin de
corriente ser entonces:
Impedancias equivalentes aproximadas de cables de guarda de
lneas de transmisin y neutros de distribucin (alimentadores)5.2
Resistividad de la capa superficial (S):Una capa de alta
resistividad sobre la superficie ayuda a limitar la corriente
que
pasara por el cuerpo humano, ya que esta capa agrega una
resistencia a la
resistencia promedio del cuerpo. Una capa superficial con un
espesor (hS) entre
0.15m hS 0.1m de un material de alta resistividad como la grava
o la roca
volcnica triturada, colocada sobre la superficie ms arriba de la
malla, incrementa la
resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las
personas en la subestacin y la
corriente por el cuerpo bajar considerablemente. La reduccin
depende de los
alores relativos de las resistividades del suelo en contacto con
la malla, y del
espesor y material de la capa superficial. La capa superficial
tambin es til para retardar la evaporacin de la humedad, y as
limitar el secado de las capas superiores durante los perodos de
verano. Esta capa tiene una resistividad del orden de 5000 -m >
S > 2000 -m. Una capa con un espesor entre 0.1m y 0.15m,
disminuye el factor de riesgo (relacin entre la corriente del
cuerpo y la corriente de cortocircuito) a una relacin 10:1
comparado con la humedad natural de la tierra.Se introduce aqu el
factor de disminucin de la capa superficial (CS):
Dnde:
CS Factor de disminucin de la capa superficial. Resistividad del
terreno (-m). S Resistividad de la capa superficial (-m). hS
Espesor de la capa superficial.5.3 Resistividad del terreno ():
La resistencia de la malla y los gradientes de tensin dentro de
una subestacin estn directamente relacionados con la resistividad
del terreno, lo cual variar horizontal y verticalmente. Se deben
reunir suficientes datos relacionados con el patio de la
subestacin, con base en mediciones directas de resistividad
empleando un telurmetro. La resistividad del terreno es
directamente afectada por la humedad, la temperatura ambiente y el
contenido de qumicos.Los estimativos basados en la clasificacin del
suelo ofrecen slo una aproximacin de la
resistividad; por tanto, las pruebas reales son imperativas.
stas deben hacerse en muchos
lugares dentro del rea de la subestacin. Rara vez se encuentran
sitios de la subestacin
donde la resistividad sea uniforme en toda el rea completa y a
profundidades considerables.
Tpicamente existen varias capas y cada una tiene una
resistividad diferente. Con frecuencia
ocurren cambios laterales, y en comparacin con los verticales
esos cambios son ms
grandes. Las pruebas de resistividad del suelo deben hacerse
para determinar si existen
variaciones importantes de la resistividad con la profundidad.
5.4 Medidas de resistividad:
El mtodo de Wenner o de los cuatro electrodos, es la tcnica
ms
comnmente usada. Luego se aplica la siguiente frmula:
Dnde:
a Resistividad aparente del suelo (-m).
R Resistencia medida en .
a Distancia entre electrodos adyacentes en m. b Profundidad de
los electrodos en m. Si b
