Curso de diseño de mallas de puesta a tierra - ejemplo de aplicación

CURSO DE DISEÑO DE MALLAS DE PUESTA A TIERRA

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Ejemplo de diseño de malla de puesta a tierra de una subestación utilizando Alternative Transients Program-ATP y ASPIX Este ejemplo muestra la metodología para el diseño de mallas de puesta a tierra siguiendo los criterios de seguridad de la norma IEEE 80. El ejemplo muestra el procedimiento para el diseño de la malla de puesta a tierra de una subestación con niveles de tensión de 115 kV y de 34.5 kV.

1 Herramientas de software Éste ejemplo de diseño se desarrolla con la ayuda de las siguientes herramientas de software:  Alternative Transients Program ATP: se puede acceder sin cargo siempre y cuando firme la licencia de uso del ATP, se puede obtener a través de los grupos de usuarios. La información sobre el licenciamiento y sobre los grupos de usuarios se ver en el sitio web: http://www.emtp.org/  Aspix: se puede obtener una versión Trial por 30 días, ésta versión permite realizar simulaciones y ver los resultados, no permite guardar o generar informes. Se puede solicitar una licencia de prueba sin costo que normalmente ofrecen por 30 días y sin limitaciones de funcionalidad. El programa se puede descargar del siguiente sitio web: http://www.spartalightning.com/download  Aspix Resistivity Analyzer: es una hoja de cálculo que permite procesar las medidas de resistividad tomadas para obtener un modelo de dos capas. Esta hoja es libre y se puede descargar del sitio web: http://www.spartalightning.com/download

2 Metodología para el diseño Para el diseño de la malla de puesta a tierra se sigue una metodología que contempla las siguientes etapas: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Medida y procesamiento de las mediciones de resistividad Cuadrícula de la malla Cálculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla con el diseño inicial Cálculo de la distribución de corrientes a tierra Cálculo de las tensiones de toque y de paso Verificación de las tensiones y de paso Si las tensiones de toque y de paso calculadas son superiores a los valores tolerables, entonces se requiere rediseñar la cuadrícula y repetir el proceso desde el punto 2.

3 Información de entrada Para el diseño de la malla de puesta a tierra se requiere la siguiente información:    

Diagrama unifilar del sistema de potencia con los parámetros y datos de los equipos Niveles de cortocircuito Datos de los transformadores de potencia Vista en planta de la subestación y de la malla de puesta a tierra

Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]


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 Mediciones de resistividad del terreno

4 Descripción del caso Este ejemplo consiste en el diseño de la malla de puesta a tierra de una subestación con niveles de tensión de 115 kV y 34,5 kV, con tres líneas de 115 kV, un transformador de potencia de 25 MVA y tres circuitos de distribución a 34,5 kV. El diagrama unifilar general se muestra en la Figura 1, la subestación a la cual se le diseñará la malla de puesta a tierra es la Subestación Carga 1. Equivalente Cortocircuito Icc1 = 7 kA Icc3 = 9 kA

Subestación Fuente 230 kV

150 MVA Ynyn0D11 Z1 = 14% Z0= 14%

115 kV

Línea doble circuito de 36 km

Subestación Carga 1

Línea circuito sencillo de 58 km

115 kV

34,5 kV

115 kV 25 MVA Dyn5 Z1 = 12% Z0= 12%

34,5 kV

Subestación Carga 2 25 MVA Dyn5 Z1 = 12% Z0= 12%

Figura 1. Diagrama unifilar

La subestación está compuesta por tres bahías de línea a 115 kV, una bahía de transformador a 115 kV, un transformador de 25 MVA, cuatro bahías a 34,5 kV (tres para circuitos de distribución y una para el transformador de potencia), como se muestra en la Figura 2.



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Figura 2. Vista en planta de la subestación

La subestación tendrá una capa de gravilla de 20 cm de espesor y con una resistividad de 2500 m. El tiempo máximo de despeje de fallas o de duración de la falla es de 500 ms. Los cables de la malla tendrán una profundidad de enterramiento de 50 cm.

5 Mediciones de resistividad Las mediciones fueron tomadas utilizando el método de Wenner para una separación de electrodos de hasta 8 metros y utilizando el método de Schulumberger Palmer para separación de electrodos de tensión de hasta 32 metros. Las mediciones de resistividad se muestran en la Tabla 1.



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Tabla 1. Mediciones de resistividad Método Wenner

Método Schlumberger-Palmer

a (m)

a (m)

c(m)

a (m)

c(m)

16

4

32

4

2

4

8

193.1

168.5

139.6

101.7

210.7

167.7

185.3

185

211.4

66.9

222.3

129.5

117.9

164.4

123.4

245.2

175.6

84

147.2

93.2

Para el procesamiento de las mediciones de resistividad y obtención del modelo de dos capas se utiliza el analizador de resistividades de Aspix. Éste procesador es una hoja de Excel que genera una curva de resistividad con probabilidad del 70% de no ser superada. A partir de ésta curva, el analizador de resistividad busca los parámetros de resistividad de la capa superior, resistividad de la capa inferior y profundidad de la capa superior que mejor se adapten a las mediciones obtenidas. Ésta herramienta muestra una gráfica donde se pueden apreciar las resistividades medidas y las calculadas por el analizador, permitiendo comparar que tanto se acerca el modelo a las mediciones. La Tabla 2 muestra el procesamiento de las mediciones de resistividad de la Tabla 1. Tabla 2. Procesamiento de las mediciones de resistividad del terreno Resistivity Analyzer Version 1.0 http://www.spartalightning.com/

Resistivity Analyzer Equally Spaced - Wenner Method

Unequally Spaced - Schlumberger-Palmer Method

a (m)

a (m) c(m) a (m) c(m) a (m) c(m) a (m) c(m)

2

4

8

16

4

32

P1 (Ohm_m)

193.1 168.5 139.6

101.7

P2 (Ohm_m)

167.7 185.3

211.4

66.9

P3 (Ohm_m)

222.3 129.5 117.9

164.4

123.4

P4 (Ohm_m)

245.2 175.6

147.2

93.2

185 84

Resistivity_70%

250

4

200

P5 (Ohm_m) P6 (Ohm_m) P7 (Ohm_m) P8 (Ohm_m) P9 (Ohm_m) P10 (Ohm_m)

150

100

50

Average

207.1 164.7 131.6

Std Dev

33.82 24.47

45.334

62.518

Resistivity_70%

223.6 177.4 150.4

177.134

145.573

Resistivity 2LModel 223.3 176.7 146.8

165.02

162.309

156.175

42.3

123.55 0 0

5

Estimated 2 layer soil parameters Upper Limit Lower Limit  1 (Ohm_m) 256.14 10000.00 1.00  2 (Ohm_m) 136.35 10000.00 1.00 k H(m)

Resistivity 2LModel

210.7

Resistivity (ohm-m)

Profile

-0.31 1.82

0.99 20.00

-0.99 0.10

10 15 20 25 30 Voltage Electrodes Separation Distance a (m)

I V Analyze

a

a a Wenner Method

I V c c a Schulumberger-Palmer Method

El analizador de resistividad nos entrega los siguientes parámetros para el modelo de las dos capas:  Resistividad de la capa superior (1) = 256.14 m  Resistividad de la capa inferior (2) = 136.35 m  Profundidad de la capa superior (H) = 1.82 m


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6 Diseño Inicial 6.1 Cuadrícula de la malla El diseño de la malla de puesta a tierra debe ser tal que garantice las condiciones de seguridad de las personas ante las fallas y que además requiera la mínima cantidad de materiales y de obra. Un método de diseño consiste en trazar inicialmente una malla de puesta a tierra de tal forma que se facilite la conexión a tierra de los diferentes equipos de la subestación. Éste primer trazado de la malla de puesta a tierra debe tener en cuenta lo siguiente:  Cada equipo requiere como mínimo la conexión a tierra de su estructura.  Si el cerramiento de la subestación es mediante una malla metálica, debe considerarse un cable de la malla de puesta a tierra para controlar las tensiones de toque. Normalmente puede ser un cable a un metro de distancia de la malla de cerramiento, enterrado a 50 cm de profundidad. Este cable debe interconectarse con la malla interna cada 20-50 m dependiendo de la resistividad.  Cable haciendo un rectángulo alrededor de los transformadores a 0.5 ó 1 m por fuera de la fundación.  Cable haciendo un rectángulo por fuera de las columnas de los pórticos a una distancia de 1 m.  Trazar retículas mínimas para facilitar las conexiones a tierra de los equipos y de sus estructuras. Para el caso del ejemplo, el cerramiento exterior es con muro, por lo cual no es necesario un cable enterrado perimetral. En la Figura 3 se muestra la malla de la subestación trazada utilizando los criterios expuestos.



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Figura 3. Cuadrícula de la malla de puesta a tierra

A continuación se realiza el análisis de ésta malla de puesta a tierra para saber si éste primer diseño cumple con los requerimientos de seguridad o si es necesario mejorarlo.

6.2 Resistencia de puesta a tierra Una vez se conocen los datos de resistividad del terreno y la geometría de la malla, se puede calcular el valor de la resistencia de puesta a tierra. Inicialmente, no se conoce el valor de la corriente máxima que circulará por la malla de puesta a tierra. Esta corriente será calculada más adelante y no se requiere conocer su valor para el cálculo de la resistencia de la malla. Dado que el programa requiere algún dato de corriente, podemos seleccionar un valor de 1000 A. La Tabla 3 muestra los parámetros que se utilizarán para la simulación.



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Tabla 3. Parámetros de la simulación

Parámetro

Parámetro en Aspix

Valor

Resistividad de la capa superior del terreno en Ohm_m

Upper layer resistivity (Ohm_m)

256.14

Resistividad de la capa inferior del terreno en Ohm_m

Lower layer resistivity (Ohm_m)

136.35

Espesor de la capa superior del terreno en metros

Upper layer thickness (m)

1.82

Resistividad de la capa de material superficial (grava).

Crushed rock resistivity (Ohm_m)

2500

Espesor de la capa de material superficial en metros

Thickness Crushed rock surfacing (m)

0.2

Duración de la falla a tierra para el cálculo de las tensiones de toque y de paso tolerables

Fault duration (s)

0.5

Corriente a través de la malla de puesta a tierra en amperios

Maximum grid current (A)

1000

Estos parámetros se ingresan al programa Aspix mediante la opción “Simulation Settings” del menú “Simulation”. La Figura 4 muestra los parámetros cargados en el programa.

Figura 4. Ajustes de la simulación en Aspix

El siguiente paso consiste en ingresar al programa los datos físicos de la malla de puesta a tierra. Para esto, se agregan cada uno de los cables y cada una de las varillas que conforman la malla de puesta a tierra. En éste ejemplo, la malla de puesta a tierra está conformada solamente por conductores horizontales, los cuales se adicionan haciendo Click Derecho sobre “Horizontal Conductors” y luego Click sobre “New Conductor”. La Figura 5 muestra los datos que se deben ingresar por cada conductor.



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Figura 5. Datos de los conductores horizontales

Una vez se ingresan los datos de los conductores, se puede hacer una verificación visual con la vista en planta y con la vista en 3D de la malla de puesta a tierra. La vista en planta se muestra con la opción “Grid Plan View” del menú “View” y aparecerá como ilustra en la Figura 6.

Figura 6. Malla de puesta a tierra – Diseño inicial



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Se ejecuta la simulación usando la opción “Run”del menú “Simulation”. Una vez se ejecuta la simulación podemos ver los resultados mediante la opción “Simulations Results” del menú “Results”. Los resultados se muestran en una ventana con una tabla como se muestra en la Figura 7.

Figura 7. Resultados de la simulación

De la tabla de resultados, hasta el momento, solamente tenemos el valor de resistencia de puesta a tierra (2.267 ). Aun no se ha calculado el valor de la corriente por la malla requerido para el cálculo de las tensiones de toque y de paso.

6.3 Distribución de corrientes a tierra Para el cálculo de las tensiones de toque y de paso, se requiere conocer la máxima corriente que circulará a través de la malla de puesta a tierra. Una primera aproximación es asumir ésta corriente como el valor máximo de la corriente de falla a tierra que se presente en la subestación, teniendo en cuenta todos los niveles de tensión. Ésta aproximación puede funcionar en algunos casos, sin embargo, puede conducir a la realización de diseños bastante conservativos y costosos. Para realizar un diseño menos conservativo, se puede calcular el valor de la máxima corriente que realmente circulará a través de la malla de puesta a tierra de la subestación. La corriente de falla a tierra circula tanto por la malla de puesta a tierra como por los cables de guarda de las líneas de transmisión y de los circuitos de distribución. Para conocer cómo se reparte la corriente de falla a tierra existen diferentes metodologías, en éste ejemplo, se realizarán simulaciones detalladas de fallas a tierra utilizando el programa ATP. En el caso que se está analizando es importante tener en cuenta la corriente de la falla a tierra que se deriva a través de los cables de guarda de las torres de las líneas a 115 kV, por lo cual se deben modelar en forma detallada los tramos de línea más cercanos a la subestación con sus puestas a tierra. La Tabla 4 muestra los datos de los conductores de fases y de guarda, y su disposición física en la torre.



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Tabla 4. Parámetros de las líneas a 115 kV

Se asumió un vano promedio de 300 m y una resistencia de puesta a tierra de las torres de 30 , se modelaron en forma detallada los 20 tramos de línea más cercanos a la subestación (6 km en total), la parte restante se modeló como un solo tramo. La Figura 8 muestra la red simulada en el programa ATP. Subestación Fuente



Puesta a tierra de las torres

Malla subestación 1

Figura 8. Red simulada en el ATP

Se simularon fallas monofásicas y bifásicas a tierra, en los niveles de 115 kV y 34,5 kV. El caso en el cual se obtiene la mayor corriente a través de la malla de puesta a tierra corresponde a una falla bifásica a tierra en lado de 34,5 kV en un punto muy cercano a la subestación, asumiendo que los circuitos a 34,5 kV no tienen cable de guarda. La Figura 9 muestra cómo se distribuyen las corrientes por las diferentes puestas a tierra para ésta falla.



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115 kV Cables de guarda

34.5 kV

2720 A 875 A


Puesta a tierra en el punto de falla

Puesta a tierra de las torres de la línea doble circuito a 115 kV

2720 A

1121 A 815 A Cable de guarda

Puesta a tierra de las torres de la línea de un circuito a 115 kV

Figura 9. Distribución de corrientes a tierra para el caso más crítico

Las corrientes no se pueden sumar en forma aritmética debido a que existe un ángulo de desviación entre ellas ocasionado principalmente por la componente inductiva de los cables de guarda, éste desfase se puede ver en la Figura 10. 4000 [A] 3000

Corriente a tierra en la falla y corriente por el neutro del transformador

2000 1000

Corriente que circula por la malla de la subestación

0

Corriente que circula por los cables de guarda

-1000 -2000 -3000 -4000 0.00

0.02

0.04

(f ile Ejemplo_Aspix.pl4; x-v ar t) c:MALL -NEUT c:FALL -

c:

0.06 -MALL

c:CG1

0.08 -MALL

c:CG2

[s]

0.10

-MALL

Figura 10. Corrientes a tierra

El valor máximo de corriente por la malla de puesta a tierra es de 1121 A, y es el valor que se utilizará para calcular las tensiones de toque y de paso. Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]


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El efecto de la componente de corriente continua de la corriente de cortocircuito es despreciable debido a que la relación X/R del sistema en la subestación analizada es menor que 10 y que el análisis de la malla se hace para un tiempo de 500 ms.

6.4 Tensiones de toque y de paso Para calcular las tensiones de toque y de paso debemos cambiar el valor supuesto de 1000 A de corriente a través de la malla por el valor calculado de 1121 A. Éste valor se cambia mediante la opción “Simulation Settings” del menú “Settings”, se debe cambiar el parámetro “Maximum Grid Current (A)” (ver Figura 4). Además, se deben adicionar las regiones o áreas en las cuales se calcularán las tensiones de toque y de paso. Estas regiones se seleccionan teniendo en cuenta los siguientes criterios:  La malla de puesta a tierra debe controlar tensiones de paso tanto en el interior como en el exterior de la subestación, sin embargo, no es necesario calcular ésta tensión de paso en áreas demasiado grandes porque las tensiones de paso son máximas en el perímetro de la malla de puesta a tierra, es decir, que si las controlamos en el perímetro, quedan controladas en cualquier otro sitio. Por lo anterior, un buen criterio es calcular las tensiones de paso en una región que cubra el área total de la malla de puesta a tierra.  Las tensiones de toque se deben controlar en todos los sitios donde las personas puedan tocar objetos metálicos conectados con la malla de puesta a tierra (estructuras metálicas, transformadores, tableros, postes metálicos, etc.). Normalmente, estos objetos metálicos se encuentran dentro del perímetro de la malla y el criterio utilizado para el trazado de la malla es que su perímetro cubra un metro por fuera del área de los equipos. Por esto, un criterio válido es calcular las tensiones de toque en una región que cubra toda el área de la malla de puesta a tierra. Las áreas en las cuales se calcularán las tensiones de toque y de paso se adicionan haciendo Click Derecho sobre “Chart Areas” y luego Click sobre “New Chart Area”. El programa mostrará la ventana que se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Datos de áreas para tensiones de toque y de paso

Las áreas que se pueden definir en el programa Aspix son de forma rectangular y se definen por las coordenadas del punto inicial (x, y), por el número de puntos en la dirección “X” y en la dirección “Y” que se van a calcular, y



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por la distancia entre puntos o resolución. Para el caso que se está analizando, se pueden definir las cinco áreas que se muestran en la Figura 12.

Área 5

Área 4 Área 3 Área 2

Área 1

Figura 12. Áreas para la simulación

Con las áreas para la simulación definidas se corre el programa con la opción “Run” del menú “Simulation” y luego, con la opción “Simulations Results” del menú “Results”, se puede ver la tabla de resultados que muestra en la Figura 13. La tabla de resultados muestra un resumen de la simulación, se pueden ver los valores de resistencia de puesta a tierra y los valores máximos de tensiones de toque y de paso calculados en las áreas definidas. Además, se muestran las tensiones de toque y de paso tolerables para personas de 50 kg y de 70 kg de peso de acuerdo con la norma IEEE 80. En éste ejemplo, se tomará como criterio de seguridad que no se superen las tensiones de toque y de paso tolerables para personas de 50 kg. El programa Aspix también permite ver las gráficas de tensiones de toque y de paso en todas las áreas configuradas. Éstas gráficas pueden ser en dos dimensiones o en tres dimensiones y se pueden ver usando las opciones “Touch Voltage 3D Chart”, “Step Voltage 3D Chart”, “Touch Voltage 2D Chart” y “Step Voltage 2D Chart” del menú “Results”. Éstas gráficas se muestran en la Figura 14, la Figura 15, la Figura 16 y la Figura 17.



Figura 13. Resultados de la simulación

Figura 14. Tensiones de toque – Vista 3D


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Figura 15. Tensiones de toque – vista 2D

Figura 16. Tensiones de paso – vista 3D Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]

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Figura 17. Tensiones de paso – vista 2d

Como puede observarse en los resultados de la Figura 13, la tensión de toque tolerable para una persona de 50 kg es de 677.8 V, valor que es superado por la tensión de toque calculada en la malla que alcanza los 914.2 V. La tensión de paso tolerable es de 2219.1 V y es superior la tensión de paso calculada de 406.5 V. En resumen, con éste diseño inicial se superan las tensiones de toque tolerables, es decir, que el diseño no cumple con los criterios de seguridad y por lo tanto debe ser modificado.

7 Diseño modificado 7.1 Cuadrícula de la malla Las modificaciones al diseño inicial deben ir orientadas a la disminución de las tensiones de toque, para lo cual existen diferentes alternativas tales como:  Disminuir la elevación de tensión de la malla de puesta a tierra durante la falla (GPR), para lo cual las alternativas son: reducir la resistencia de puesta a tierra, disminuir el nivel de cortocircuito y disminuir la porción de corriente que circula a través de la malla.  Reducir el tamaño de las cuadrículas de la malla instalando conductores en el interior de las cuadrículas del diseño inicial. La primera opción que se va a probar para disminuir la tensión de toque es la disminución del tamaño de las cuadrículas de la malla. Para esto, se deben ubicar los puntos que presentaron las mayores tensiones de toque en el diseño inicial. En la Figura 18 se pueden observar las regiones donde se presentaron las mayores tensiones de toque, la modificación al diseño consiste en adicionar cables en las cuadrículas que contienen éstas regiones, la Figura 19 muestra el diseño modificado. Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]


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Figura 18. Puntos críticos para las tensiones de toque

Figura 19. Malla de puesta a tierra – Diseño modificado

7.2 Resistencia de puesta a tierra Se ejecuta el programa y se obtiene una resistencia de puesta a tierra de 2.09 , como se muestra en la Figura 20.



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Figura 20. Resultados – Diseño Modificado

7.3 Distribución de corrientes a tierra En el programa ATP, se modifica el valor de la resistencia de puesta a tierra correspondiente a la subestación 1 (ver Figura 8) y se ejecuta la simulación. La Figura 21 muestra cómo se distribuyen las corrientes por las diferentes puestas a tierra para el caso más crítico. 115 kV Cables de guarda

34.5 kV

2732 A 856 A


Puesta a tierra de las torres de la línea doble circuito a 115 kV

1188 A 793 A Cable de guarda

Puesta a tierra de las torres de la línea de un circuito a 115 kV

Figura 21. Distribución de corrientes a tierra – Diseño modificado Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]

Puesta a tierra en el punto de falla 2732 A


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El valor máximo de corriente por la malla de puesta a tierra es de 1188 A, y es el valor que se utilizará para calcular las tensiones de toque y de paso.

7.4 Tensiones de toque y de paso Para calcular las tensiones de toque y de paso debemos cambiar el valor de 1121 A de corriente a través de la malla por el valor de 1188 A que se obtuvo para el diseño modificado. Éste valor se cambia mediante la opción “Simulation Settings” del menú “Settings”, se debe cambiar el parámetro “Maximum Grid Current (A)” (ver Figura 4). Las áreas para el cálculo de las tensiones de toque y de paso se mantienen iguales a las utilizadas para la simulación con el diseño inicial. Se corre el programa con la opción “Run” del menú “Simulation” y luego, con la opción “Simulations Results” del menú “Results” se puede ver la tabla de resultados que muestra en la Figura 22.

Figura 22. Resultados – Diseño modificado

La Figura 23, la Figura 24, la Figura 25 y la Figura 26, muestran las gráficas en dos dimensiones y en tres dimensiones de tensiones de toque y de paso calculadas en la malla. Como puede observarse en los resultados de la Figura 22 la tensión de toque tolerable para una persona de 50 kg es de 677.8 V, valor que es superior a la tensión de toque calculada en la malla que alcanza los 657.1 V. La tensión de paso tolerable es de 2219.1 V y es superior a la tensión de paso calculada de 396.1 V. Éste diseño modificado controla las tensiones de toque y de paso, haciéndolas inferiores a los valores tolerables, es decir, que cumple con los criterios de seguridad y puede adoptarse como el diseño definitivo.



Figura 23. Tensiones de toque – Diseño modificado – Vista 3D

Figura 24. Tensiones de toque – Diseño modificado - vista 2D


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Figura 25. Tensiones de paso – Diseño modificado - vista 3D

Figura 26. Tensiones de paso – Diseño modificado - vista 2d Elaborado por: José Dariel Arcila [email protected]

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Curso de diseño de mallas de puesta a tierra - ejemplo de aplicación

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