Diseño del sistema de puesta a tierra para la subestación San Gregorio I. Hernández, F. Lozada, C. Pinta, D. Viscarra Escuela Politécnica Nacional (EPN), Quito - Ecuador
Resume n – El sistema de puesta a tierra es una parte primordial y a la vez importante en las subestaciones pertenecientes al Sistema Nacional Interconectado (SNI), con la cual se aumenta la confiabilidad operativa de los sistemas, equipos y lo más importante el personal humano que desempeña sus funciones dentro de la instalación anteriormente mencionada. Debido a la alta confiabilidad requerida en este nodo del sistema, nos vemos en la necesidad necesidad de diseñar e implementar de acuerdo a las normas nacionales e internacionales y siguiendo la metodología adecuada el diseño que se detalla a continuación. El sistema de puesta a tierra será implementado para los tres patios de Alto Voltaje, 69, 138, 230 [kV] respectivamente.
Subestación: Las subestaciones eléctricas son las instalaciones encargadas de realizar transformaciones de la tensión, de la frecuencia, del número de fases o la conexión de dos o más circuitos.
Palabr as clave:
Alto Voltaje: Se considera Alto Voltaje a todo nivel de voltaje que supere los 1000 voltios. Confiabilidad: Probabilidad de que un ítem lleve a cabo una misión asignada satisfactoriamente por el período establecido y bajo las condiciones especificadas. Vol taje de paso: paso: Es la diferencia de voltaje que durante una falla se presenta entre dos puntos de la superficie de un terreno, separados por una distancia de un paso. Voltaje de toque: Diferencia de voltaje que durante una falla puede resultar aplicada entre la mano y el pie de la persona, que toque con aquella una masa o elemento metálico, normalmente sin tensión. Puesta a tierra: Camino conductivo permanente y continuo con capacidad suficiente para conducir a tierra cualquier corriente de falla probable que le sea impuesta por diseño, de impedancia suficientemente baja para limitar la elevación de tensión sobre el terreno y facilitar la operación de los dispositivos de protección en el circuito.
NTRODUCCIÓN I. I NTRODUCCIÓN El presente artículo artículo es un ejemplo de cómo se se debe diseñar un e implementar un Sistema de Puesta a Tierra T ierra La interconexión de las puestas a tierra en una instalación permite obtener obtener la resistencia global global más pequeña y así reducir reducir las diferencias de tensión entre las partes de la instalación a un Este trabajo fue elaborado por: mínimo durante fallas mejorando su confiabilidad y vida útil. I. Hernández, alumno de Ing. Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional, Un sobrevoltaje temporal requiere un valor bajo de Quito-Ecuador, (e-mail:
[email protected] ). resistencia de puesta a tierra única, lo que puede hacerla F. Lozada, alumno de Ing. Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional, Quito-Ecuador, (e-mail:
[email protected])
[email protected]). impracticable para valores altos de resistividad del suelo, y C. Pinta, alumno de Ing. Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional, también un valor bajo de la corriente de falla a tierra, que Quito-Ecuador, (e-mail:
[email protected] [email protected])). depende del sistema de neutro adoptado en el sistema de 69, D. Viscarra, alumno de Ing. Eléctrica de la Escuela Politécnica Nacional, 138 y 230 [kV]. Quito-Ecuador, (e-mail:
[email protected] [email protected])). Los procedimientos de diseño de un sistema de puesta a
tierra se basan en conceptos tradicionales, pero su aplicación puede ser muy compleja, es decir, el proyecto se puede ver como ciencia, pero la aplicación correcta es un arte, ya que cada instalación es única en su localización, tipo de suelo, y equipos a proteger. Un sistema de puesta a tierra es un conjunto de conductores eléctricos (cables y electrodos) directamente enterrados en el suelo y distribuidos a través de una instalación expresamente diseñada para soportar corrientes excepcionales en caso de corto circuito o descarga atmosférica, entre otras eventualidades. A este sistema se conectan todos y cada uno de los elementos de la instalación que requieran ser puestos a tierra, tales como los neutros, tanques y carcasas de los equipos, los cables de guarda, las estructuras metálicas y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra. Lamentablemente la interconexión de las puestas a tierra no es siempre práctica desde el punto de vista técnico y económico. Cuando se produce un cortocircuito del lado de alta tensión se pueden propagar sobretensiones temporarias inadmisibles a través de la puesta a tierra a los usuarios de baja tensión.
ubicada a 1.5 Km de la zona norte de la Ciudad de Portoviejo.
Subestación Eléctrica San Gregorio
II. CARACTERÍSTICAS Y ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LA SUBESTACION Este proyecto consiste en la construcción total de la nueva Subestación Portoviejo, para satisfacer la demanda creciente de energía eléctrica de la Provincia de Manabí y mejorar las condiciones de entrega del servicio. Esta subestación recibirá energía del Sistema Nacional Interconectado, mediante una línea de un solo circuito de 230 kV, desde la Subestación Quevedo. La subestación de Portoviejo estará compuesta por: Patio de 230 kV, con una posición de interrupción de línea de 230 kV. Patio de transformación con un banco de autotransformadores monofásicos de 230/138 kV y 55 MVA cada uno. Patio de 138 kV en esquema de barra principal y transferencia con dos posiciones de interrupción de línea de 138 kV, una para alimentar la subestación Portoviejo actual y otra para alimentar la futura Subestación Portoviejo a esta nivel de voltaje, permaneciente a la Empresa EMELMANABI y una posición de interrupción de transferencia. Se prevé construir en el futuro un patio de 69 kV en esquema de barra principal y transferencia, con una posición de interrupción de transformador, dos posiciones de interrupción de línea de 69 kV y una posición de interrupción de transferencia.
Patio de transformadores
Adicionalmente se ampliará el patio de transformación con un transformador de 138/69 kV. Los interruptores a emplearse usarán gas SF6 como medio de aislamiento y extinción de arco. Las dimensiones aproximadas de esta subestación Portoviejo son 320 x 150 m, la misma que se encuentra
Patio de maniobras 138[kV] III. REQUISITOS DE UNA MALLA A TIERRA a.
Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra b. La variación 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.
c.
Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas. d. Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos. e. Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo), no debe haber calentamientos excesivos. f. Debe ser resistente a la corrosión. Para tener un diseño que nos garantice la confiabilidad de nuestra subestación es necesario tener en cuenta la resistividad del suelo en donde se va a instalar nuestro sistema para lo cual definimos lo siguiente: Resistividad del terreno La resistividad en otras palabras, es la propiedad que tiene el terreno de oponerse al paso de la corriente eléctrica y está determinada por las características del mismo suelo. La resistividad se mide en ohms-kilómetro u ohms-metro, etc.; pero de acuerdo a la NOM-008-SCFI-1993, la representación dimensional debe estar en ohms-cm. Existen dos formas para determinar el valor de la resistividad: una empírica mediante tabulación y conocimiento del terreno y la otra efectuando la medición directamente en el terreno. Los valores obtenidos en la medición del terreno tienen un doble propósito adicional a la relación con el sistema de puesta a tierra.
√ Escojo:
hs = Es el espesor del material de la superficie (m) h = Profundidad de enterramiento (m)
Donde: Sc = Sección del conductor I = Corriente máxima de falla (A) tc = Duración máxima de falla (s)
Donde: Este tipo de datos es usado para realizar V paso = La diferencia de potencial de superficie experimentado reconocimientos geofísicos debajo de la superficie por una persona de puente una distancia de 1 m con los pies como ayuda para identificar zonas de mineral, sin contacto con ningún otro objeto conectado a tierra profundidades de roca y otros fenómenos CS = Es el factor de reducción de la capa superficial s = Es la resistividad de la superficie del material (Ω · m) geológicos. tc = Duración máxima de falla en segundos La resistividad posee un impacto directo sobre el grado de corrosión en tuberías bajo tierra. Una baja resistividad tiene relación con un aumento en actividad corrosiva y así dicta el tratamiento a Donde: utilizar. s = Es la resistividad de la superficie del material (Ω · m) La resistividad es un factor determinante en el = Es la resistividad de la tierra debajo de la superficie del valor de resistencia a tierra que pueda tener un material (Ω · m) electrodo enterrado, puede determinar la hs = Es el espesor del material de la superficie (m) profundidad a la cual debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia bajo.
IV. DISEÑO DE LA PUESTA A TIERRA El diseño de una puesta a tierra viene afectado por variables como las que se muestran a continuación: a. b. c. d. e. f. g. h.
V. DISEÑO DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA PARA LA SUBESTACION SAN GREGORIO DE ACUERDO A LA NORMA IEEE STD. 80-2000 Datos:
Tensión permisible de paso Tensión permisible de contacto Configuración de la malla Resistividad del terreno Tiempo máximo de despeje de la falla Conductor de la malla Conductor de la malla Profundidad de instalación de la malla
√
Donde: Vtoque = La diferencia de potencial entre el potencial de tierra aumento (GPR) y la superficie potencial en el punto en que una persona está de pie, mientras que al mismo tiempo tener una mano en contacto con una estructura de tierra. CS = Es el factor de reducción de la capa superficial s = Es la resistividad de la supe rficie del material (Ω · m)
√
= Es la resistividad de la tierra debajo de la superficie del
material (Ω · m)
tc = Duración máxima de falla en segundos
Asumo:
Donde: LT = Longitud total del conductor (m) LC = Longitud del conductor horizontal (m) LV = Longitud del conductor de la varilla (m) N = Número total de varillas
Donde: L1 = Longitud de la malla (m) L2 = Ancho de la malla (m) D = Espaciamiento entre conductores (m)
Donde: L1 = Longitud de la malla (m) L2 = Ancho de la malla (m) D = Espaciamiento entre conductores (m)
( ) ( )
Donde: R g = Resistencia de puesta a tierra LC = Longitud del conductor horizontal (m) h = Profundidad de enterramiento (m) = Es la resistividad de la tierra debajo de la superficie del
material (Ω · m)
A = Es el área que forman la longitud de la malla y el ancho de la malla (m 2)
Donde: GPR = El potencial eléctrico máximo que una rejilla de puesta a tierra de la subestación puede alcanzar respecto a un
punto de conexión a tierra distante supone que está en el potencial de tierra remota. If = Corriente máxima de falla (A) R g = Resistencia de puesta a tierra ( )
Donde: K m = Coeficiente que tiene en cuenta las características geométricas de la malla h = Profundidad de enterramiento (m) D = Espaciamiento entre conductores (m) d = Diámetro del conductor (mm) n = Número de conductores en paralelo en una dirección (Puesto que se colocarán varillas en el perímetro)
√ √ √ √
(11)
Donde: h = Profundidad de enterramiento (m)
Donde: n = Número de conductores en paralelo en una dirección
Donde: L p = Longitud del perímetro de la puesta a tierra (m) L1 = Longitud de la malla (m) L2 = Ancho de la malla (m) LC = Longitud del conductor horizontal (m) A = Es el área que forman la longitud de la malla y el ancho de la malla (m 2)
Donde: L p = Longitud del perímetro de la puesta a tierra (m) L1 = Longitud de la malla (m) L2 = Ancho de la malla (m)
√ Donde: n = Número de conductores en paralelo en una dirección K i = Coeficiente de irregularidad del terreno
[ ]
Donde: N = Número total de varillas K i = Coeficiente de irregularidad del terreno L1 = Longitud de la malla (m) L2 = Ancho de la malla (m) K m = Coeficiente que tiene en cuenta las características geométricas de la malla LC = Longitud del conductor horizontal (m) If = Corriente máxima de falla (A) = Es la resistividad de la tierra debajo de la superficie del
material (Ω · m)
LV = Longitud del conductor de la varilla (m)
Donde: If = Corriente máxima de falla (A) = Es la resistividad de la tierra debajo de la superficie del material (Ω · m)
K s = Coeficiente que tiene en cuenta, la influencia combinada de la profundidad y del espaciamiento de la malla K i = Coeficiente de irregularidad del terreno LV = Longitud del conductor de la varilla (m) N = Número total de varillas LC = Longitud del conductor horizontal (m)
** ++
Si el voltaje de malla calculada es menor que el voltaje de paso tolerable por el cuerpo humano, el diseño puede darse por concluido, caso contrario el diseño tiene que ser revisado nuevamente. En un sistema de puesta a tierra las condiciones ambientales pueden deteriorarla con el paso del tiempo, por los que es aconsejable monitorearla periódicamente para cerciorarse de que se tiene el valor de resistencia deseado. Se concluye que para conseguir un voltaje de malla adecuado para que cumpla la condición se requiere colocar las varillas más juntas unas con otras. Pero el costo que se paga es el alto precio que se haría en comprar los materiales. El diseño de las puestas a tierra de las subestaciones debe considerar necesariamente las tensiones de paso y toque, o sea no debe implicar riesgo de muerte para las personas, o este riesgo debe ser muy bajo.
VII. BIOGRAFIA Iván Israel Hernández Silva nació en Ambato el 27 de Febrero de 1991, realizo sus estudios primarios en la Escuela Centro Escolar Ecuador sus estudios secundarios los cursó en el Instituto Superior Tecnológico Docente Guayaquil, actualmente se encuentra cursando el Sexto nivel de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional. Fabricio Ismael Lozada Jordan nació en Ambato el 16 de Mayo de 1993, realizo sus estudios primarios en el Liceo Juan Montalvo sus estudios secundarios los cursó en el Instituto Tecnológico Superior Bolivar, actualmente se encuentra cursando el Séptimo nivel de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional. Cristian Marcelo Pinta García nació en Quito el 18 de Septiembre de 1990, realizo sus estudios primarios en la Escuela Cesar Arroyo sus estudios secundarios los cursó en el Instituto Tecnológico Superior Nelson I. Torres, actualmente se encuentra cursando el Sexto nivel de la carrera de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica Nacional.
VI. CONCLUSIONES En el diseño de puesta a tierra, requiere de un análisis minucioso, en el que hay que tener en cuenta varios criterios, como las condiciones de espacio reales del lugar de instalación, puesto que no todos los terrenos o suelos son los mismos, etc. Damián Jahiel Viscarra Calero nació en el El tema de las mallas de tierra es aún hoy en día uno de los 29 de Abril de 1989, realizo sus estudios más dinámicos y polémicos de la ingeniería eléctrica. primarios en la Escuela Experimental El presente diseño presenta un pequeño Eugenio Espejo sus estudios secundarios sobredimensionamiento, no obstante dado que el objetivo los cursó en el Colegio Atenas School, principal es proporcionar ante todo la seguridad humana, el actualmente se encuentra cursando el Séptimo nivel de la costo queda relegado a un segundo plano, dependiendo del carrera de Ingeniería Eléctrica en la Escuela Politécnica sobredimensionamiento de las varillas (conductores). Nacional.
VIII. BIBLIOGRAFIA
Estándares:
NORMA ANSI/IEEE Std 80 _2000.
Libros:
GARCIA MARQUE ROGELIO “ LA PUESTA A TIERRA DE INSTALACIONES ELCTRICAS ” Editorial Alfa y Omega 1999
DIAS PABLO “ SOLUCIONES PRACTICAS PARA LA PUESTA A TIERRA DE SISTEMAS ELECTRICOS” Editorial Mc Graw Hill 2001. Artículos: BLANDON JAIME, “PROCESAMIENTO DE MEDIDAS DE RESISTIVIDAD”, IEB Ltda. 1989.
