Ejemplo de diseño de puesta a tierra de un centro de transformación.
Se trata de diseñar la instalación de puesta a tierra de un centro de transformación de superficie, en un edificio prefabricado independiente, con el objeto de cumplir los requisitos reglamentarios para las tensiones de paso y contacto. Las características de la red de distribución que alimenta el C.T. son las siguientes:
Tensión nominal de la red: U n =15 kV. Red con neutro aislado en la subestación. Intensidad máxima de falta a tierra: I tierra: I Fmáx = 250 A. Protecciones, en caso de defecto a tierra, mediante relé de sobreintensidad a tiempo independiente con un tiempo de actuación de 0,5 s y una intensidad de arranque de 0,5 A.
Las características del centro de transformación y su emplazamiento son las siguientes:
Ubicación en zona urbana. Resistividad del terreno: = 500 .m Dimensiones: 2,5 m x 2,5 m.
Las características de los posibles electrodos normalizados a utilizar para el diseño de la puesta a tierra general del CT, según el método UNESA, son las siguientes:
Configuración
Longitud picas L p
(m)
Resistencia
k r
.m
Tensión de paso
k p V
.m.A
Tensión de contacto exterior
k c k p( acc ) V
Código de la configuración
m A . .
Sin picas
-
0,180
0,0395
0,1188
25-25/5/00
4 picas
2
0,121
0,0291
0,0633
25-25/5/42
4
0,093
0,0213
0,0422
25-25/5/44
6
0,076
0,0166
0,0312
25-25/5/46
8
0,065
0,0136
0,0247
25-25/5/48
8
0,053
0,0102
0,0158
25-25/5/88
8 picas
Cuadrado de 2,5 m x 2,5 m enterrado a 0,5 m de profundidad, con con una sección del conductor de 50 mm de cobre desnudo y un diámetro de las picas de 14 mm.
Solución:
Cuando se utilizan electrodos normalizados, las máximas tensiones de contacto y de paso presentes en la instalación se pueden calcular mediante unos coeficientes que representan el valor máximo de la tensión de contacto y de paso que aparece en la instalación en cualquier dirección del terreno, por amperio de corriente que circula por el electrodo y por unidad de resistividad del terreno.
donde: k c
coeficiente que representa la máxima tensión de contacto unitaria en la instalación.
k p
coeficiente que representa la máxima tensión de paso unitaria en la instalación, en cualquier punto del terreno próximo al apoyo puesto a tierra.
I E
intensidad de corriente que circula por el electrodo de puesta a tierra,
resistividad del terreno.
La resistencia de puesta a tierra también se puede expresar como un coeficiente, k r , que depende sólo de las dimensiones del electrodo multiplicado por la resistividad del terreno.
Se debe de comprobar que los valores de las tensiones de paso y contacto U´ p y U´ c, calculadas para la instalación en función su geometría, de la corriente de puesta a tierra y de la resistividad del terreno, no superen en las condiciones más desfavorables las calculadas por las fórmulas (1), (2) y (3), en ninguna zona del terreno afectada por la instalación de tierra.
a)
Cálculo de las tensiones de paso y contacto máximas admisibles en la instalación.
Partiendo de las tensiones de paso y contacto aplicadas admisibles obtenidas según el tiempo de actuación de las protecciones (t F =0,5 s), y teniendo en cuenta, la resistividad superficial aparente del terreno, se determinan las tensiones de paso y contacto máximas admisibles en el exterior del centro de transformación. Las tensiones de paso y contacto en el interior se consideran nulas al construirse las paredes y suelo del edificio prefabricado de hormigón con un mallado equipotencial.
Según la tabla 2, para t F = 0,5s se tienen los siguientes valores de las tensiones de contacto y paso aplicadas admisibles. U ca 204 V U pa 10 U ca 2040 V
Conocidas las tensiones de contacto y paso aplicadas admisibles y la resistividad superficial del terreno se pueden calcular, utilizando las expresiones (1) y (2), los valores máximos admisibles de las tensiones de contacto y paso en la instalación, teniendo en cuenta que la resistencia del calzado es, Ra1= 2000 .
Tensión de contacto desde el exterior del centro de transformación:
Ra 1 ,5 s U c U ca 1 2 204 1 1000 1
2
Tensión de paso en el exterior del centro de transformación:
U p U pa 1
b)
1 ,5 500 561 V 1000
2000
2 Ra1
6 s 2 2000 6 500 U 2040 1 p 16320 V 1000 1000
Diseño preliminar de la instalación de puesta a tierra general. Primero lo elegimos sin picas
Inicialmente se parte de un electrodo formado por conductores enterrados sin picas (código de la configuración 25-25/5/00), cuya resistencia unitaria de puesta a tierra es:
K r 0 ,18
.m
El valor de la resistencia de puesta a tierra del electrodo será:
R K r 0 ,18 500 90 A continuación se determina la tensión de contacto que aparece en el exterior del centro de transformación suponiendo que la toda la corriente de defecto, I F , circula a tierra a través de la resistencia de puesta a tierra general del C.T. ( I E = I F ). El valor de la corriente I F , se puede calcular partiendo del valor de la intensidad de defecto a tierra máxima, IFmáx, facilitado por la empresa de distribución eléctrica y utilizando el esquema eléctrico mostrado en la figura siguiente.
El valor de la intensidad de defecto a tierra máxima se obtiene cuando el valor de R es nulo, según la siguiente expresión:
siendo: c
factor de tensión c = 1,1, según norma UNE-EN 60909-1. Este factor tiene en cuenta la variación de la tensión en el espacio y en el tiempo, la tolerancia de la impedancia de puesta a tierra, los cambios eventuales en las conexiones de los transformadores, y el comportamiento subtransitorio de los alternadores y motores.
Sustituyendo, se calcula el valor de la capacidad total fase-tierra formada por las capacidades a tierra de todas las líneas y cables que salen de la subestación.
Teniendo en cuenta la resistencia de puesta a tierra general del centro de transformación, R, la intensidad de defecto a tierra para un defecto en el lado de alta tensión del C.T., se puede calcular según la expresión siguiente:
Corriente de falta
siendo este valor muy superior a la intensidad de arranque de la protección que es de 0,5 A.
El valor de la tensión de contacto en el exterior del C.T. se calcula como:
El valor calculado de U´ c resulta muy superior al valor de la tensión de contacto admisible en el exterior del C.T, (U c= 561 V). En realidad, al tratarse de un centro de transformación ubicado en zona urbana la resistencia de puesta a tierra general de este C.T. está conectada en paralelo con la de otros centros a través de las pantallas de los cables subterráneos de media tensión, por lo cual la intensidad de puesta a tierra, I E , que circula por la R del C.T. a proyectar, será tan solo una fracción de I F , siendo I E =r.I F . El valor que se puede utilizar de forma conservadora para estos cálculos es r =0,5. Utilizando este factor de reducción se puede calcular de nuevo la tensión de contacto en el exterior del C.T. cuyo valor es:
El nuevo valor calculado de U´ c resulta también muy superior al valor de la tensión de contacto admisible en el exterior del C.T, (U c= 561 V), por lo que es necesario modificar el diseño preliminar del sistema de puesta a tierra mediante la utilización de otro electrodo.
c)
Modificación del diseño preliminar de la instalación de puesta a tierra general.
Se propone la construcción de una acera perimetral de hormigón de 1,2 m de anchura y 10 cm de espesor, alrededor del C.T. y la utilización de un electrodo formado por conductores enterrados con ocho picas de acero cobrizado de 14 mm de diámetro y 8 metros de longitud (código de la configuración 25-25/5/88). Al utilizarse acera perimetral aumenta la tensión de contacto admisible en la instalación, siendo su nuevo valor: Resisitencia calczado
Ra1 1 ,5 s ,aparente acera U c U ca 1 2 204 1 1000 donde:
2000 2
1 ,5 2134 1061 V 1000
Terreno
500 1 Hormigón 3000 2134 m s ,aparenteacera 3000 1 0 ,106 2 0 ,1 0 ,106 creo Espesor
La resistencia unitaria de puesta a tierra del nuevo electrodo es:
K r 0 ,053
.m
El valor de la resistencia de puesta a tierra del electrodo será:
R K r 0 ,053 500 26,5
A continuación se determina la tensión de contacto que aparece en el exterior del centro de transformación suponiendo un factor de reducción r = 0,5 ( ). Teniendo en cuenta la nueva resistencia de puesta a tierra general del centro de transformación, R, la intensidad de defecto a tierra para un defecto en el lado de alta tensión del C.T., es:
El nuevo valor de la tensión de contacto en el exterior del C.T. es:
El valor calculado de U´ c resulta inferior al valor de la tensión de contacto admisible en el exterior del C.T, (U c= 1061 V), por lo que el diseño es correcto y además al cumplir la tensión de contacto no es necesario comprobar la tensión de paso. Si cumple tensión de contacto va a cumplir de paso Neutro aislado o a tierra cambia la forma de calcular la corrriente
d)
Diseño alternativo mediante acera equipotencial.
Con objeto de abaratar el coste de la solución anterior, se propone estudiar la construcción de una acera perimetral de hormigón de 1,2 m de anchura y 10 cm de espesor, en cuyo interior está embebido un mallado electrosoldado de 30 cm x 30 cm, manteniendo el diseño preliminar formado por un anillo sin picas tal y como se muestra en la siguiente figura.
Para este diseño de instalación de puesta a tierra no existe peligro por tensión de contacto al considerarse que los pies y la mano, de la persona que pueda tocar una masa metálica exterior del centro de transformación, estarán al mismo potencial. Al haberse empleado una medida adicional de seguridad es necesario comprobar el cumplimiento de las tensiones de paso. Los valores máximos admisibles para las tensiones de paso en este caso son:
Tensión de paso en el exterior con los dos pies fuera de la acera:
U p1 U pa 1
2 Ra1 6 s 1000
2 2000 6 500 2040 1 U p 16320 V 1000
Tensión de paso en el exterior con un pie en la acera equipotencial y otro en el terreno:
U p 2 U pa 1
2 Ra1 3 s
3 s ,aparenteacera 2 2000 3 500 3 2134 2040 1 26320 V 1000 1000
Los valores admisibles de las tensiones de paso U p1 y U p2, son mayores que la tensión nominal de la línea (U n = 15 kV) y como es imposible que aparezcan en el terreno tensiones de paso superiores a U n, el diseño utilizado resulta satisfactorio.
e)
Caso de red con neutro a tierra.
Si la red de alimentación del centro de transformación procediese de una subestación con neutro puesto a tierra, el valor de la intensidad de defecto a tierra resultaría generalmente bastante superior al caso de neutro aislado, por lo que las tensiones de contacto que aparecerían en la instalación serían superiores. Por este motivo el régimen de neutro aislado permite un diseño de puesta a tierra con electrodos más sencillos, y por tanto más económicos. El valor de la corriente I F , se puede calcular utilizando el esquema eléctrico mostrado en la figura siguiente.
La corriente retorna principalmente por la impedancia de puesta a tierra del neutro:
.
La fórmula simplificada para calcular la intensidad de defecto a tierra, sin tener en cuenta la impedancia de las líneas, es la siguiente:
donde: U n
tensión de servicio entre fases en voltios.
c
factor de tensión c = 1,1, según norma UNE-EN 60909-1. Este factor tiene en cuenta la variación de la tensión en el espacio y en el tiempo, la tolerancia de la impedancia de puesta a tierra, los cambios eventuales en las conexiones de los transformadores, y el comportamiento subtransitorio de los alternadores y motores.
pulsación eléctrica (2 f ).
R
resistencia de puesta a tierra del elemento metálico en el que se produce el defecto, por ejemplo la resistencia del apoyo.
ucc
tensión de cortocircuito del transformador de la subestación expresada en por unidad.
S nom potencia nominal del transformador de la subestación. El segundo sumando del denominador de la expresión anterior representa la impedancia de cortocircuito del transformador de la subestación, y su valor suele
pequeño en comparación con el resto de sumandos, por lo que dicha expresión se suele transformar en la siguiente:
La aplicación de la fórmula anterior supone el cálculo de una intensidad de defecto a tierra algo superior, por lo que se pueda aplicar con carácter general al sobredimensionarse ligeramente el diseño de la instalación.
Centros de transformación en el interior de un edificio destinado a otros usos.
Frecuentemente, en zona urbana, los centros de transformación se ubican en el interior de locales pertenecientes a edificios destinados a otros usos. En estos casos, con objeto de evitar una elevación de potencial de las masas de baja tensión en caso de defectos en alta tensión, se debería independizar la puesta a tierra general del centro de transformación, R, de la puesta a tierra de las masas de utilización de baja tensión del edificio, R A. Para conseguir esta independencia se suele ubicar el sistema de puesta a tierra general del CT a una cierta distancia, D, del edificio, conectando los electrodos de dicho sistema mediante un cable aislado canalizado en la misma zanja que los cables de alimentación en media tensión del CT, con objeto de reducir la tensión transferida a las masas de utilización de baja tensión, U T, en caso de un defecto a tierra en alta tensión.
Figura 11. Separación entre la puesta a tierra de un CT en edificio de otros usos y la puesta a tierra del edificio.
La distancia mínima, D, entre el sistema de puesta a tierra general del C.T. y el sistema de puesta tierra de las masas de utilización de baja tensión del edificio, se puede calcular de forma aproximada, suponiendo que el primer sistema se comporta como un electrodo semiesférico, mediante la expresión siguiente que garantiza que la tensión transferida, U T, sea menor que la tensión de contacto admisible en la instalación, U c:
D
I E
2 U c
donde: ,
es la resistividad del terreno.
I E , es la intensidad de puesta a tierra que circula por el electrodo de la tierra general del CT. U c , es la tensión de contacto máxima admisible en la instalación. En la práctica, no es nada fácil conseguir la independencia de ambas instalaciones de puesta a tierra ya que existen múltiples edificios próximos, cada una con su instalación de puesta a tierra, además de elementos metálicos enterrados susceptibles de transferir tensiones entre ambas instalaciones. En este caso, si al producirse un defecto a tierra en alta tensión, la elevación del potencial de las masas de baja tensión resulta inferior a la tensión de contacto admisible, U c, el diseño de la puesta a tierra conectando entre sí ambas instalaciones es satisfactorio, al cumplirse los requisitos reglamentarios que garantizan la seguridad de las personas. La elevación de potencial se puede calcular como , donde RGlobal sería el paralelo entre R y R A.
