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SUBESTACIN OCOA 115/34,5/13,8
MEMORIA DE VERIFICACIN DE MALLA DE PUESTA A TIERRA SUBESTACIN
OCOA
DE BAHIA DE LNEA
DOCUMENTO IEB 939
SUBESTACIN OCOA 115/34,5/13,8 kV
VERIFICACIN DE MALLA DE PUESTA A SUBESTACIN OCOA PROYECTO
AMPLIACIN
DE BAHIA DE LNEA 115 KV.
DOCUMENTO IEB 939-12-105
REVISIN 0
Medelln, Marzo de 2013
kV
VERIFICACIN DE MALLA DE PUESTA A PROYECTO AMPLIACIN
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SUBESTACIN OCOA A 115 kV IEB S.A. VERIFICACIN DE LA MALLA DE
PUESTA A TIERRA Pgina ii de iv
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CONTROL DE DISTRIBUCIN
Copias de este documento han sido entregadas a:
Nombre Dependencia Empresa Copias
Las observaciones que resulten de su revisin y aplicacin deben
ser informadas a IEB S.A.
CONTROL DE REVISIONES
Revisin No. Aspecto revisado Fecha
0 Emisin Inicial 11/03/2013
CONTROL DE RESPONSABLES
NMERO DE REVISIN 0 1 2
Nombre JLO/OSR
Elaboracin Firma
Fecha 11/03/2013
Nombre OSR
Revisin Firma
Fecha 11/03/2013
Nombre OSR
Aprobacin Firma
Fecha 11/03/2013
Participaron en la elaboracin de este informe:
OSR Oscar Alonso Sanchez R.
JLO Jhonatan Londoo Ospina
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TABLA DE CONTENIDO
1. OBJETO
.................................................................................................................
1 2. INTRODUCCIN
....................................................................................................
1 3. RECURSOS
DISPONIBLES...................................................................................
1 4. METODOLOGA
.....................................................................................................
2 4.1 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS
......................................................................................
2 4.2 RESISTIVIDAD DEL TERRENO
............................................................................................
2 5. CARACTERSTICAS DEL SISTEMA ELCTRICO
................................................ 2 6. VERIFICACIN
DEL DISEO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA ................ 3 6.1
DISTRIBUCIN DE CORRIENTES
........................................................................................
3 6.2 RESISTENCIA DE PUESTA A
TIERRA.................................................................................
5 7. CRITERIOS DE SEGURIDAD
................................................................................
6 7.1 TIEMPO DE DURACIN DE LA
FALLA................................................................................
6 7.2 TENSIN SUPERFICIAL, TENSIN DE TOQUE Y TENSIN DE
PASO............................ 6 8. VERIFICACIN DEL CONDUCTOR DE
LA MALLA ............................................. 7 9.
CONCLUSIONES
...................................................................................................
8 10. RECOMENDACIONES
...........................................................................................
8
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Figuras
Figura 1. Sistema modelado para hallar la corriente por la malla
...................................................... 4 Figura 2.
Resultados de la simulacin de distribucin de corrientes a tierra
...................................... 5 Figura 3. Perfiles
Tensiones de Contacto
...........................................................................................
1 Figura 4. Perfiles Tensiones de Paso
.................................................................................................
1 Figura 5. Malla de Puesta a Tierra
......................................................................................................
1
Tablas
Tabla 1. Valor de Resistividad Seleccionado Subestacin Ocoa
....................................................... 2 Tabla 2.
Caractersticas de las Lneas de Transmisin
......................................................................
3 Tabla 3. Niveles de corto circuito ao 2020
........................................................................................
3 Tabla 3. Datos de entrada del programa IEB-MALLAS
....................................................................
5 Tabla 5. Resultados programa IEB-MALLAS para malla de puesta a
tierra .................................... 6 Tabla 6. Capacidad de
Corriente Ante Cortocircuitos para Cables Y Conexiones
............................ 7 Tabla 7. Carga fundente para uniones
con soldadura exotrmica
..................................................... 9
Anexos
Anexo 1: Grficos de tensiones evaluados al interior de la malla
de puesta a tierra
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1. OBJETO
Verificar el diseo de la malla de puesta a tierra para asegurar
que los niveles de tensin en la subestacin estn en el rango
permitido, debido al incremento de los niveles de cortocircuito y
las nuevas conexiones del nuevo campo de lnea de 115 KV para la
subestacin Ocoa 115 kV, ubicada en el departamento del Meta y
perteneciente a la Empresa de energa del Meta, EMSA. S.A.
E.S.P.
2. INTRODUCCIN
La implementacin de un sistema de puesta a tierra adecuado est
dirigida a lograr la eficiente coordinacin con el sistema de
potencia y sus protecciones y a garantizar la seguridad del
personal y de los equipos que dentro del rea de winstalacin de la
malla puedan quedar expuestos a tensiones peligrosas en el caso de
fallas a tierra, cumpliendo con los criterios de seguridad
(requerimientos de potenciales de toque y de paso) establecidos en
la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE Guide for Safety in A.C. Substation
Grounding. Se verifica que el valor de resistencia de puesta a
tierra est dentro de los rangos aceptados por la norma ANSI/IEEE
Std. 80 IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding y que se
garantice una referencia de tensin cero aceptable y un adecuado
retorno de corrientes de falla a tierra. En el informe se presenta
la metodologa y los resultados obtenidos en la verificacin del
diseo de la malla de puesta a tierra, se analizan los resultados y
se presentan las conclusiones y recomendaciones derivadas del
estudio realizado.
3. RECURSOS DISPONIBLES
Para la determinacin de los niveles de cortocircuito monofsico y
trifsico en barras de Subestacin Ocoa 115 kV y los aportes a esta
por las lneas La Reforma 1 y 2 a 115 kV, Barzal 115 kV y Suria 115
kV, se tomaron los valores de cortocircuito en demanda mxima y con
generacin hidrulica mxima, para el ao 2020 obtenidos por medio de
simulacin con ayuda del software DigSilent 14.1,siendo
conservativos con los niveles de cortocircuito ya que se pueden
presentar cambios en el sistema que puedan modificar estos valores.
En el modelado del sistema elctrico y en los clculos de distribucin
de corrientes a tierra, se utiliz como herramienta de simulacin el
programa de computador ATPDraw (Alternative Transients Program) el
cual es ampliamente utilizado en simulaciones para el estudio y
anlisis de sistemas elctricos de potencia, debido a la
confiabilidad de sus resultados. Para el diseo de la malla de
puesta a tierra se emplea el programa llamado
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"IEB-MALLAS", el cual hace uso del mtodo de la matriz combinada
de resistencia (multisegmentada), el mtodo integral para la
evaluacin de tensiones a lo largo de los segmentos de un conductor
y el mtodo de las imgenes para el modelamiento del suelo en dos
capas. Este programa fue desarrollado por Ingeniera Especializada
S.A.
4. METODOLOGA
La metodologa empleada para el diseo consisti en el clculo de
resistencia de puesta a tierra de la malla, niveles de
cortocircuito y la distribucin de corriente por la malla.
4.1 EL MODELO DE LAS DOS CAPAS
La evaluacin del diseo inicial de la malla de tierra se realiza
con base en la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE Guide for safety in
A.C. Substation Grounding, luego se detalla, utilizando para los
clculos de la malla de tierra un programa de computador
(IEB-MALLAS) basado en el mtodo de las dos capas y la teora de las
imgenes y un programa de distribucin de corrientes para determinar
las corrientes de cortocircuito y las corrientes a tierra. El mtodo
de las dos capas consiste bsicamente en la modelacin del suelo en
dos capas de resistividad uniforme con base en los valores de
resistividad tomados en el terreno. Este modelo sirve para estudiar
el comportamiento del sistema de puesta a tierra frente a fallas en
el sistema de potencia.
4.2 RESISTIVIDAD DEL TERRENO
En el documento IEB-C939-12-100 Informe de visita Subestacin
Ocoa proyecto ampliacin de baha de lnea 115 KV se muestran las
medidas de resistividad tomadas adems del criterio y seleccin de
esta. En la Tabla 1 se muestra el valor seleccionado para la
verificacin de la malla de puesta a tierra.
Tabla 1. Valor de Resistividad Seleccionado Subestacin Ocoa
Resistividad del Terreno (m)
1000
5. CARACTERSTICAS DEL SISTEMA ELCTRICO
En el documento IEB-C939-12-100 Informe de visita Subestacin
Ocoa proyecto ampliacin de baha de lnea 115 KV se definen los
aspectos relacionados con las caractersticas del sitio y del
sistema.
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Adicional a esta informacin, en la Tabla 2 se muestran las
caractersticas de las lneas de transmisin conectadas a la barra de
115 kV de la Subestacin Ocoa.
Tabla 2. Caractersticas de las Lneas de Transmisin
Lnea Longitud [km] Calibre fases [ACSR MCM] Lnea Ocoa Granada
69.9 336 Lnea Ocoa Reforma (Doble circuito) 12,0 336 Lnea Ocoa
Barzal 9,4 336 Lnea Ocoa Suria 69.9 397 Lnea Ocoa Guamal - 30 336
Lnea San Fernando 30 336* Lnea Planta Termo Ocoa 0,1 336 *
* Valores estimados para obtener un escenario conservador, datos
aun no disponibles
6. VERIFICACIN DEL DISEO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA
Se contempla la verificacin de la distribucin de corrientes a
tierra, el clculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla
y el anlisis de las tensiones de toque y de paso producidas durante
fallas a tierra, de tal forma que se garantice la seguridad de las
personas dentro del rea de instalacin de la malla.
6.1 DISTRIBUCIN DE CORRIENTES Cuando se presenta una falla en
una subestacin, una parte de la corriente retorna a las fuentes
generadoras a travs de la malla de tierra de la subestacin, sin
embargo, una porcin importante de la misma retorna por los
conductores de guarda y neutros que entran y salen de la subestacin
y las puestas a tierra de las torres o postes. Estas corrientes son
generalmente apreciables, por lo cual, suponer que toda la
corriente de falla retorna a tierra a travs de la malla conduce a
diseos excesivamente conservativos. De acuerdo a la simulacin
mencionada en el software AtpDraw, se obtuvo los valores de
cortocircuito mostrados en la Tabla 3.
Tabla 3. Niveles de corto circuito ao 2020
Entrada de Lnea a Barra Ocoa 115 kV
Niveles mximos de cortocircuito (kA) Trifsico Monofsico
Lnea La Reforma 115 kV (Doble circuito) 4.604 4.694
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Entrada de Lnea a Barra Ocoa 115 kV
Niveles mximos de cortocircuito (kA) Trifsico Monofsico
Lnea Ocoa Barzal 1.508 1.554
Lnea Ocoa Suria 2.655 2.107
Lnea Termo Ocoa 115 kV 1.579 1.905
Barra Ocoa 10.327 10.861
Con los resultados de los niveles de cortocircuito anteriores,
se procedi a la simulacin del sistema mediante el programa ATPDraw,
con el cual se obtiene la mxima corriente que circulara por la
malla de tierra de la subestacin en caso de presentarse una falla
bifsica a tierra en la barra de 115 kV de la Subestacin Ocoa, cuyo
valor es de561.11 A, en consecuencia se obtiene un G.P.R. de 1683.3
V (tensin a la cual se eleva la malla en caso de una falla a
tierra). Para efectos del diseo de la malla, se asumi un G.P.R. de
1700 V. En la Figura 1 se muestra el sistema modelado.
Figura 1. Sistema modelado para hallar la corriente por la
malla
En la Figura 2 se ilustra el grfico con los resultados obtenidos
para la tensin en la malla (G.P.R.), corriente por la malla y
corriente total de falla monofsica a tierra.
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Figura 2. Resultados de la simulacin de distribucin de
corrientes a tierra
6.2 RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
Para determinar la resistencia de puesta a tierra de la malla,
se utiliz el programa IEB-MALLAS, el cual hace uso del mtodo de la
matriz combinada de resistencia (multisegmentada), el mtodo
integral para la evaluacin de tensiones a lo largo de los segmentos
de un conductor y el mtodo de las imgenes para el modelamiento de
las dos capas. Los datos de entrada del programa se indican en la
Tabla 4.
Tabla 4. Datos de entrada del programa IEB-MALLAS Magnitud
Valor
Resistividad [m] 1.000 Resistividad de la capa de cascajo o
concreto [m] 3.000 Espesor de la capa de cascajo [m] 0,2
Profundidad de enterramiento de la malla [m] 0,6 GPR [V] 1700
Tiempo de aclaracin de la falla [s] 0,5 Radio del conductor [m]
0,00584 Nmero de varillas [Un] 37 Radio de la varilla [m] 0,008
(f ile SEOcoa.pl4; x-v ar t) factors:offsets:
10
v :MPT 0.7070
c:MPT - 0.7070
c:B1A -MPT 0.7070
0 5 10 15 20 25 30[ms]-12
-8
-4
0
4
8
12
*103
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Magnitud Valor Longitud de la varilla [m] 2,4
La resistencia de puesta a tierra individual de la malla de la
subestacin, determinada con el programa es de 2.9 aproximadamente,
cuyo valor se considera adecuado para una instalacin de las
caractersticas de la subestacin elctrica. Se considerar un valor de
3 ya que es el valor resultado con el cual se cuenta de los
archivos As-Built
7. CRITERIOS DE SEGURIDAD
Los principales criterios de seguridad en el diseo de una malla
de puesta a tierra corresponden a la limitacin de los potenciales
de toque y potenciales de paso. El programa IEB-MALLAS permite
obtener las tensiones superficiales, tensiones de toque y tensiones
de paso para un perfil seleccionado.
7.1 TIEMPO DE DURACIN DE LA FALLA La mayor parte de las fallas
de un sistema de potencia moderno son aclaradas entre 30 ms y 200
ms, dependiendo del tiempo de operacin del interruptor o fusible
utilizado, as como de la coordinacin establecida previamente para
la operacin de las protecciones. Con el propsito de ser
conservadores para la verificacin de las tensiones de toque y de
paso al interior de la malla, se asumi un tiempo de despeje igual a
500 ms, tal como lo recomienda la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE
Guide for Safety in A.C. Substation Grounding.
7.2 TENSIN SUPERFICIAL, TENSIN DE TOQUE Y TENSIN DE PASO Para el
control de las tensiones de toque y de paso se considera un valor
crtico de G.P.R. en la malla de 1700 V. Los resultados ms crticos
arrojados por el programa, se muestran en la Tabla 5. Tabla 5.
Resultados programa IEB-MALLAS para malla de puesta a tierra
Magnitud Tensin Obtenida con IEB Mallas
Tensin de toque mxima [V] 545.76
Tensin de toque tolerable [V] 811.87
Tensin de paso mxima [V] 164.01
Tensin de paso tolerable [V] 2755.35
Tensin en la malla G.P.R. [V] 1700
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Del anlisis de los perfiles se concluye que las tensiones de
toque y las tensiones de paso han sido controladas adecuadamente en
el interior de la malla. En el Anexo 1 se presentan los resultados
grficos de la tensin superficial, de toque y de paso en el interior
de la malla.
8. VERIFICACIN DEL CONDUCTOR DE LA MALLA
El conductor de la malla de puesta a tierra debe tener la
capacidad de conduccin de corriente de cortocircuito que se espera
cuando ocurre un cortocircuito en la subestacin Ocoa a 115 kV, la
cual cercano a los11. kA. El conductor existente de cobre No. 4/0
AWG, el cual tiene un radio de 5,84 mm y soporta 28 kA de
cortocircuito (Valor calculado de acuerdo con la norma ANSI/IEEE
STD 80-1986 Guide for Safety in A.C. Substation Grounding) no
necesita ser modificado ya que permite el paso de la mxima
corriente durante el tiempo de duracin de la falla (0,5 s), sin
sobrepasar la temperatura mxima permitida de 250C, temperatura que
garantiza plenamente la integridad de los conductores y las uniones
de la malla de puesta a tierra. Por otro lado la cuadrcula
garantiza que los retornos de corriente de falla monofsica al
interior de la malla se distribuyan por varios caminos. La Tabla 6
indica la mxima corriente de cortocircuito para los cables, las
soldaduras y los conectores, para las conexiones al interior de la
malla, en calibre No. 4/0 AWG, para un tiempo de 200 ms de despeje
de la falla.
Tabla 6. Capacidad de Corriente Ante Cortocircuitos para Cables
Y Conexiones
Elemento Temperatura mxima [C] Icc mxima
[kA] Duracin de la falla
[ms] Cable No. 4/0 AWG 1.083 69,1
200 Soldadura exotrmica 400 51,5 Conectores 250 43,3
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9. CONCLUSIONES
a) Para realizar la verificacin de la malla de puesta a tierra,
se utiliz el valor de resistividad de 1.000 m, el cual es igual al
valor de diseo inicial de la subestacin.
b) En la etapa del diseo inicial de la Subestacin Ocoa, se
obtuvo un valor de resistencia malla de puesta a tierra cercana a 3
y dado que a esta malla no se le han realizado modificaciones, este
valor contina igualmente sin modificarse. De igual forma, se
verifico con la ayuda del software IEB-MALLAS.
c) Se verific que tanto las tensiones de toque como las
tensiones de paso producidas durante fallas a tierra, pudieran ser
controladas en el interior de la superficie de instalacin de la
malla con la instalacin de los nuevos campos de lnea, de tal manera
que no se ponga en riesgo al personal operativo ni a los
equipos.
d) Para la verificacin de las tensiones de toque y de paso se
tuvo en cuenta un tiempo de despeje de la falla en la red del orden
de 500 ms tal como lo propone la norma ANSI/IEEE Std. 80 IEEE Guide
for Safety in A.C. Substation Grounding.
10. RECOMENDACIONES
a) En los planos as built de la subestacin se puede observar que
la malla se encuentra instalada en su totalidad, sin embargo en el
proyecto que actualmente est en ejecucin (instalacin del nuevo
transformador), se encontr instaladala malla solo hasta el extremo
izquierdo de la baha hacia Granada, por lo tanto, se recomienda
instalar la malla faltante, utilizando para esto un cable de cobre
desnudo blando recocido de 107,3 mm2 de seccin (No. 4/0 AWG), el
cual deber enterrarse a una profundidad de 0,6 m, en el campo de
lnea 115 kV.
b) Instalar 4 contrapesos en cable de cobre desnudo blando
recocido de 107,3 mm2 de seccin (No. 4/0 AWG) a una profundidad de
0.6m que conecte la malla de puesta a tierra, con el conductor que
rodea de la malla de cerramiento.
c) Instalar una varilla copperweld de 2,4 m de longitud y 5/8 de
dimetro (acero con recubrimiento de electrodepositado de cobre;
recubrimiento100 m) para cada uno de los descargadores de la lnea
115KV.
b) Se debe verificar si se cuenta con cable de cobre desnudo
blando recocido de 107,3 mm2 de seccin (No. 4/0 AWG), por fuera de
la malla de cerramiento de la subestacin, conectado a la malla
interior y enterrado a 0,5 m de profundidad.
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en caso de que este cable no exista, se deber proceder con su
instalacin, para de esta forma garantizar las seguridad del
personal que se encuentra en las cercanas de la subestacin-
c) Verificar que la conexin entre la malla de puesta a tierra de
la subestacin Ocoa 115 kV y la malla de la central Termo Ocoa se
est realizando con cable de cobre desnudo blando recocido de 107.3
mm2 de seccin (No. 4/0 AWG), enterrado a una profundidad de 0,6
m.
d) Conectar los diferentes equipos de potencia, estructuras
metlicas, prticos y la malla de cerramiento con la malla de puesta
a tierra, utilizando colas en cable de cobre desnudo blando
recocido de 70 mm2 de seccin (No. 2/0 AWG) unida a la malla
mediante soldadura exotrmica cable cable.
e) Efectuar uniones con soldadura exotrmica cable-cable y
cable-varilla con los moldes y carga fundente de acuerdo con los
tipos de conexin y el calibre de los cables, teniendo en cuenta las
especificaciones de la Tabla 7.
Tabla 7. Carga fundente para uniones con soldadura exotrmica
Elementos a unir Tipo de unin Carga fundente [g]
Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 4/0 AWG T horizontal 150 Cable No.
4/0 AWG - Cable No. 4/0 AWG En Paralelo 200 Cable No. 4/0 AWG -
Cable No. 2/0 AWG T horizontal 90 Cable No. 4/0 AWG - Cable No. 4/0
AWG X pasante horizontal 250
Cable No. 2/0 AWG - Varilla de 5/8 Cable pasante a varilla
vertical 150
Una vez construida la malla de tierra, se recomienda efectuar
una medida de su resistencia de puesta a tierra para verificar el
valor esperado y medir la continuidad entre la malla existente y la
ampliacin con el fin de verificar que las uniones sean las
adecuadas.
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REFERENCIAS
[1] IEEE GUIDE FOR SAFETY IN A.C. SUBSTATION GROUNDING.
ANSI/IEEE Std 80-2000.
[2] ESTADO DEL ARTE EN EL DISEO DE MALLAS DE TIERRA DE
SUBESTACIONES Jaime Alberto Blandn D. IEB S.A. I Conferencia
Nacional de Subestaciones y Sistemas de proteccin, 1989
[3] RESPUESTA TRANSITORIA DE LOS SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA
Blandn J.C y otros III Conferencia Nacional de subestaciones y
lneas de transmisin, 1993
[4] NATIONAL ELECTRICAL CODE ANSI/NFPA 70 NEC 2002
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ANEXO 1
GRFICOS DE TENSIONES EVALUADOS AL INTERIOR DE LA MALLA DE PUESTA
A TIERRA
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Figura
Figura
Figura 3. Perfiles Tensiones de Contacto
Figura 4. Perfiles Tensiones de Paso
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Figura 5. Malla de Puesta a Tierra
