Manual de Adiestramiento Sistemas de Puestas a Tierra
Agosto/2009
Ing. Wilfredo J. Lezama R.
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Índice de Contenidos
Introducción Objetivo General UNIDAD I: Sistema de puesta a tierra consideraciones teóricas
Pág. 3 4 5- 38
UNIDAD II: Crecimiento de potencial en la malla de tierra (GPR) (GPR) y 39- 48 Tensiones de seguridad y Programa CDEGS. Compatibilidad Electromagnética UNIDAD III: Diseño de sistema de puesta a tierra según las normas 49- 65 que la rigen. Referencias bibliográficas
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Introducción La gestión de seguridad integral personal y equipos en las subestaciones, edificaciones y líneas de transmisión, transmisión, tiene una alta alta dependencia del desempeño y la eficiencia de un Sistema de Puesta a Tierra antes situaciones situaciones normales y anómalas que ocurra dentro de las instalaciones tanto en régimen permanente como transitorio, bien sea por descargas descargas atmosféricas fallas de equipos y errores errores humanos al momento de maniobrar un equipo, un eficiente Sistema de Puesta a Tierra nos garantiza de forma segura, y confiable el suministro eléctrico eléctrico a nuestros usuarios y la integridad del personal que labora dentro las instalaciones. Este Manual de Adiestramiento contribuye al desarrollo de las competencias requeridas para diseñar, evaluar, y ejecutar mejoras a los Sistemas de Puesta a Tierra Tierra al personal de mantenimiento, ingeniería y cualquier trabajador que esté involucrado en este campo.
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Objetivo General
Al finalizar el curso el participante estará en capacidad de: diseñar sistema de puesta a tierra de subestaciones y líneas de transmisión, atendiendo a los parámetros establecidos por las normas IEEE 81-1983 y IEEE 80-2000.
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Unidad I Sistemas de Puesta a Tierra. Consideraciones Teóricas Objetivo Terminal: Identificar los Aspectos Aspectos Teóricos relacionados relacionados con los Sistemas de Puesta a Tierra.
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Conceptos Básicos de los Sistemas de Puesta a Tierra.
Tierra La Tierra se considera como una masa gigantesca con propiedades prácticamente ilimitadas para absorber cantidades de electricidad estática o carga sin cambiar su potencial, es decir, una masa que debido a sus dimensiones tiene muy baja impedancia o muy alta capacitancia. Por lo tanto, la tierra se define normalmente normalmente como aquella aquella masa conductiva conductiva con tales propiedades eléctricas que el potencial es considerado como igual a cero en cualquier punto. Sin embargo, esta definición involucra una tierra ideal, ideal, la cual en la práctica, para zonas delimitas de limitas la superficie de la tierra, se comporta de manera diferente. Debe tenerse mucho cuidado al considerar la tierra a un potencial nulo o cero. Si un punto se define como cero potencial, entonces la aseveración de que un punto cercano está también a cero potencial generalmente es incorrecta. Existen dos propiedades que se considera tiene la tierra bajo el concepto de tierra ideal: la tierra es un ―receptor‖ o ―fuente‖ perfecta de corriente y la tierra puede proporcionar un plano equipotencial dentro de una zona delimitada de la superficie de la misma, plano que sirve como referencia ideal para circuitos eléctricos y electrónicos. electrónicos. Estas propiedades propiedades sugieren que la diferencia de potencial entre dos puntos en la tierra es cero sin importar el tipo, magnitud magn itud y frecuencia frecuenc ia de la corriente inyectada inyectada a la tierra; tierra; concepto que es no valido en la práctica. Pero, ¿cuál es el elemento que evita tener una tierra ideal, desde el punto de vista eléctrico?: la resistividad del suelo, la cual define en forma práctica las propiedades eléctricas de la tierra. De hecho, la tierra es un conductor con propiedades conductivas muy inferiores a las propiedades conductivas de un elemento metálico. Resistividad del Suelo o Terreno Es la relación entre la diferencia de potencial potencial en un material material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una 6
sustancia. Numéricamente es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuesta, se expresa en ohmio-metros (Ω-m). Factores que influyen en la resistividad del terreno
Composición del terreno: La resistividad de un terreno varía considerablemente de acuerdo a su naturaleza. En un terreno dado, pueden encontrarse cualquier tipo de combinación de estratos con características diferentes. Es importante destacar que la variación de estratos puede no ser solamente en sentido vertical, sino que debido debido a rellenos, cortes del terreno, etc; pueden existir diferencias de composición en sentido horizontal. Humedad: el valor de resistividad es dependiente en forma inversa del porcentaje de humedad que contiene el suelo. Temperatura: La temperatura y la humedad tienen efectos importantes sobre las capas superficiales del terreno, por lo tanto, a profundidades mayores se obtendrán características más estables en el terreno. Compactación: La compactación sólo tiene influencia cuando no se ha alcanzado la saturación del terreno por humedad.
Sistema de Puesta a Tierra (SPT) La forma de mejorar las propiedades eléctricas de la tierra como elemento disipador de corrientes anormales que se presentan en un sistema eléctrico conectado a él y obtener un plano lo más equipotencial posible, se logra instalando un sistema de puesta a tierra (SPT), generalmente constituido por conductores enterrados horizontal y verticalmente, en una arreglo que puede ser desde muy sencillo (un solo electrodo de puesta a tierra horizontal o vertical) hasta 7
muy complejo (un arreglo de electrodos de puesta a tierra horizontales y verticales dispuestos de tal forma que formen una un a malla de puesta a tierra). El SPT diseña para ofrecer ofrecer una trayectoria trayectoria o camino definido a tierra tierra para las corrientes anormales producidas tanto por fuentes hechas por el hombre (fallas a tierra del sistema de potencia o fuentes parásitas que crean interferencia de alta o baja frecuencia) como por fuentes naturales (rayo y fuentes externas de interferencia de baja o alta frecuencia). La tierra es un plano conductivo con valor ―finito‖, por lo que cualquier inyección de corriente a tierra producirá voltajes dentro y alrededor del sitio donde se inyecta, con el latente riesgo de daño a equipo o riesgo de electrocución a seres vivos. Por lo tanto, la instalación de un sistema o red de puesta a tierra busca mejorar las propiedades eléctricas de disipación de corrientes indeseables a tierra, Ahora bien, la conexión a tierra de instalaciones eléctricas para efecto de seguridad de personal se considera en un principio básico: Las diferencias de potencial generados al momento de la inyección de corriente anómala entre las partes conductivas de la instalación eléctrica y la tierra deben ser reducidas a valores seguros. Voltajes excesivos pueden producir el rompimiento de material dieléctrico (ya sea aire o materiales sólidos) o, al cerrarse un circuito eléctrico vía elementos metálicos o a través del cuerpo de una persona, corrientes peligrosas que pueden producir daño a componentes eléctricos y/o electrónicos y riesgo de electrocución en personas. Suministrando tanto una referencia eléctrica para instalaciones eléctricas como la disipación de energía que pueda representar un riesgo de electrocución para los seres vivos. Objetivo de un Sistema de Puesta a Tierra
Ofrecer una trayectoria de drenado para los elementos metálicos no energizados de los equipos a través de la masa de tierra, cuando se ven expuestos a tensiones o corrientes anómalas o acumulación de cargas 8
electrostáticas.
Permitir el flujo de corriente en el caso de una falla tierra con el objeto de que el equipo de protección opere correctamente y pueda aislar la falla. Evitar el desplazamiento del voltaje suministrado por la fuente con el fin de garantizar la correcta operación del equipo alimentado. Suministrar una superficie equipotencial con el objeto de evitar o minimizar diferencias de potencial que puedan ser fuentes de corriente indeseables y que puedan afectar el equipo electrónico sensible.
El primer objetivo se refiere a la seguridad del personal, animales y propiedades. Para el caso de personas y animales, el objetivo es minimizar las corrientes que puedan circular a través de su cuerpo cuando éste entra en contacto accidental o incidentalmente con alguna estructura metálica que presenta impresa una tensión con respecto a tierra. El segundo se refiere a la seguridad del sistema eléctrico y sus equipos asociados. El tercero se refiere al control con trol de los voltajes de alimentación al nivel nivel de tablero general que alimenta los equipos eléctricos y electrónicos. El cuarto se relaciona con problemas de interferencia electromagnética y la correcta operación de equipo electrónico sensible. Es importante establecer que existen sistemas tales como aeroplanos, radios portátiles, satélites, barcos, globos aerostáticos, submarinos y plataformas marinas, entre otros, en donde la tierra no tiene el mismo papel que lo tiene para los casos de sistemas instalados en el ámbito de tierra; de hecho es absurdo pensar en una conexión a tierra. En estos casos, el chasis o estructura del artefacto constituye el plano equipotencial a ser considerado. En resumen, un sistema o red de puesta a tierra debe ofrecer una trayectoria segura para disipar corrientes anormales y reducir voltajes peligrosos a niveles seguros, tanto para el personal y animales como para el equipo eléctrico o electrónico sensible.
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Requisito que debe cumplir de un un Sistema de Puesta Puesta a Tierra. Aspectos de seguridad. Una red de puesta a tierra con resistencia baja no es segura por sí misma. Durante condiciones anormales, el flujo de corriente a tierra producirá gradientes de potencial que pueden ser de magnitud suficiente para poner en peligro a una persona que se encuentre dentro del área de influencia de la corriente. Asimismo, pueden producirse diferencias de potencial peligrosas entre el equipo conectado a tierra y una tierra cercana. Los aspectos de seguridad involucran aspectos sobre la corriente permisible que debe circular por el cuerpo humano para asegurar la integridad física del mismo. Por lo tanto, es esencial que el sistema de puesta a tierra limite las tensiones de paso y de contacto a valores tolerables indicados en la normatividad aplicable. Los aspectos que deben tomarse en cuenta para realizar el análisis de seguridad de las personas son los siguientes:
Corriente anómala que circula a tierra en relación al área del sistema de puesta a tierra y su resistencia con respecto a una tierra remota. La resistividad del suelo y la distribución de las corrientes de tierra que puedan generar elevados gradientes de potencial en la superficie de la tierra. La presencia de personas que puedan ―unir‖ dos puntos con diferente
potencial eléctrico.
La ausencia de una suficiente resistencia de contacto para limitar la corriente a través del cuerpo humano y asegurar su integridad física. Duración de la falla y duración del contacto de la persona con el elemento fallado que pueda causarle daño.
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Sistemas de Alta Calidad Un sistema de puesta a tierra de alta calidad eleva la confiabilidad del sistema eléctrico, reduce costos de mantenimiento y genera ahorro de tiempo y recursos. Para mucha gente, el instalar un sistema convencional o estándar de puesta a tierra consiste de dos electrodos de puesta a tierra enterrados y…LISTO!! Sin
embargo, esto es inadecuado para las necesidades de hoy en día, principalmente para las instalaciones de las redes eléctricas. Los requerimientos para los niveles de resistencia de puesta a tierra son más precisos debido a las tensiones cada vez más bajas y velocidades más elevadas de operación de la electrónica moderna. Por ejemplo, la industria de las telecomunicaciones establece una resistencia de puesta a tierra menor que 5 , el cual representa menos de la mitad de la resistencia exigida hace algunos años. Las especificaciones varían según las industrias involucradas, llegando incluso a exigirse (por ejemplo fabricantes de equipo de procesos y equipo para aplicaciones médicas) hasta 3 de resistencia de puesta a tierra. Inclusive, se han visto requerimientos requerimientos de ―menor de 1 ‖ en a lgunas especificaciones de instalación y de servicio. Sin embargo, un sistema de alta calidad es mucho más que lograr una baja resistencia de puesta a tierra. Un sistema de puesta a tierra de calidad ofrece un comportamiento predecible, de largo tiempo y estable climáticamente, y por supuesto, la facilidad de realizar actividades de prueba y mantenimiento. Las actividades de prueba son importantísimas, porque el sistema de puesta a tierra se degrada, ocasionando daño en sus componentes, los cuales no son fácilmente identificables, hasta que ocurre un evento catastrófico.
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La única manera de lograr un sistema de puesta a tierra de alta calidad es diseñarlo y optimizarlo con bases de ingeniería. Esto permite lograr los objetivos deseados sin elevar el costo innecesariamente. En otras palabras:
El diseño y la optimización con bases de ingeniería permiten obtener lo que uno desea al precio justo.
Resistencia de Puesta a Tierra o Resistencia de Dispersión Es la relación entre el potencial del Sistema de puesta a tierra a medir, respecto a una tierra remota y la corriente que fluye entre estos dos puntos. La medición de la resistencia de puesta a tierra tiene por objeto establecer el valor real de la resistencia para determinar la elevación de la tensión en la red de puesta a tierra y evaluar si tal valor de resistencia es suficiente para limitar los gradientes a valores tolerables. Para evaluar la impedancia o resistencia a tierra,: se inyecta una corriente a tierra a través del electrodo o red que se pretende medir y de un electrodo auxiliar, llamado electrodo de corriente, al mismo tiempo que se determina la tensión creada entre el electrodo o red bajo prueba y un punto sobre la superficie del terreno mediante un segundo electrodo llamado electrodo de potencial
Tabla Nro. 1. Valores máximos de resistencia de puesta a tierra. Usos
Estructuras Transmisión
de
Valor Máximo de Resistencia de puesta a tierra Líneas
de
Subestaciones de alta y extra alta tensión
20 Ω
1Ω
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Continuación Tabla Nro. 1. Valores máximos de resistencia de puesta a tierra. Usos
Valor Máximo de Resistencia de puesta a tierra
Subestaciones de media tensión en postes y de media tensión de uso interior
10 Ω
Protección contra rayos
4Ω
Neutro de acometida en baja tensión
25 Ω
Descarga Electrostáticas
25 Ω
Equipos electrónico sensibles
5Ω
Tipos de Sistema de Puesta a Tierra El estándar IEEE-665-1995 define diferentes arreglos de conexión a tierra para plantas generadoras, en especial para los servicios propios de estas plantas. Sin embargo, estos arreglos también se aplican para las instalaciones de subestaciones en media tensión, y sobre todo de subestaciones que alimentan cargas lejanas.
La conexión a tierra del neutro (p.ej., conexión sólida a tierra, a través de resistencia, etc.) tiene la función de establecer la referencia del sistema eléctrico. La conexión a tierra del neutro generalmente se hace en el punto neutro de la fuente de suministro (generador o transformador). La conexión a tierra de seguridad tiene la función de proteger a las 13
personas y a la propiedad de posibles daños ocasionados por fallas. Las conexiones a tierra de seguridad se hacen las partes metálicas del sistema que normalmente no están energizadas pero que puede llegar a estarlo bajo condiciones anormales de operación.
La conexión a tierra para equipo asegura una trayectoria de retorno de baja impedancia para las corrientes de tierra en el caso de que se presente una falla eléctrica entre los conductores energizados y las envolventes de los equipos. Si tal trayectoria de retorno es confiable, la protección del circuito eléctrico será capaz de interrumpir la falla en un corto tiempo.
Sistema de Puesta a Tierra en Subestaciones Subes taciones de C.A. El tratamiento para el sistema de puesta a tierra en subestaciones eléctricas es similar cuando ellas están ubicadas ya sea en un sistema de distribución, de transmisión o de generación de energía eléctrica. Generalmente, el objetivo primario para este tipo de instalaciones lo constituye el aspecto de seguridad, debido a las elevadas corrientes que pueden generarse ante una eventual falla del sistema. Por lo tanto, los aspectos que deben analizarse en este tipo de estudios son los siguientes:
Límites para las tensiones de paso y de contacto que puedan afectar al ser humano o a seres vivos en general. Con esto se pretende asegurar que la persona en la vecindad del sistema de puesta a tierra no estará expuesta a condiciones de electrocución o daño que pueda poner en riesgo su vida. Suministrar los medios para conducir las corrientes anómalas a tierra bajo condiciones normales y de falla sin exceder los límites de operación del sistema y del equipo involucrado que puedan afectar la continuidad del servicio.
En forma práctica, los controles que deben existir para garantizar la seguridad del sistema de puesta a tierra deben considerar los siguientes elementos: 14
La puesta a tierra intencional, que constituyen los electrodos y conductores enterrados a una cierta profundidad. La puesta a tierra accidental, temporalmente establecida por una persona expuesta al gradiente de potencial en la vecindad del sistema de puesta a tierra.
Nuevamente, aquí es importante indicar que el concepto de que cualquier electrodo enterrado constituye un sistema de puesta a tierra adecuada resulta ser una práctica peligrosa, siendo la causante de pérdidas humanas, ya que una baja resistencia de puesta a tierra no garantiza, por sí sola, ser un medio de seguridad. No existe una simple relación entre la resistencia de puesta a tierra del sistema y la corriente máxima a la cual la persona puede estar expuesta. Por lo tanto, una subestación con una elevada resistencia de puesta a tierra y con un diseño adecuado y optimizado puede ser más segura que otra con un valor menor de resistencia pero con un diseño inadecuado Sistema de puesta a tierra en Centrales Hidroeléctricas Una central hidroeléctrica es una instalación compleja, donde se tiene equipo diverso, tales como: dispositivos y elementos de alta tensión, torres de transmisión, subestaciones eléctricas, cuarto de máquinas, área de interruptores, equipo electrónico sensible confinado en cuartos de control y estructuras metálicas inherentes a la instalación. Cada una de ellas necesita una red específica de puesta a tierra, ya que las necesidades son diferentes. El diseño debe empezar por las mediciones de resistividad del terreno para poder determinar las características del sistema de puesta a tierra. Generalmente, para centrales muy grandes, se recomienda que el valor de la resistencia de puesta a tierra no exceda el valor de 1 Ohm. Es importante considerar que la profundidad de los electrodos y conductores de puesta a tierra alcancen niveles húmedos permanentes, siempre 15
que sea posible. Nuevamente, la calidad de los materiales reviste una gran importancia para asegurar un mayor tiempo de servicio. Para tal efecto, debe considerarse el área cerca de la cortina (generalmente húmeda) para colocar una o dos redes de puesta a tierra, la cual puede ser usada para la puesta a tierra del equipo ubicado en la cortina y ser un punto de conexión para la red de puesta a tierra de la casa de máquinas. Las uniones entre redes de puesta a tierra deben estar interconectadas por medio de dos conductores de unión, uno en cada extremo de la red, con el fin de garantizar la unión equipotencial, aún cuando uno de ellos sufra una avería o daño, que genere un punto de discontinuidad. Debe seleccionarse cuidadosamente el tamaño del conductor, de acuerdo las siguientes condiciones: (a) debe soportar los esfuerzos mecánicos encontrados durante la etapa de construcción, (b) soportar corrientes de falla sin que sufra daño evidente o latente, (c) No exceder los 50 V de tensión en el cable cuando circule la corriente de falla. Debe considerarse en la instalación la disponibilidad y facilidad en las actividades de inspección, pruebas y mantenimiento, con el fin de garantizar que los criterios utilizados en el diseño permanezcan durante el tiempo de servicio del sistema de puesta a tierra. Sistema de puesta a tierra en estaciones de generación El diseño de las estaciones de generación eléctrica son complicadas considerando su extensión en áreas abiertas con múltiples edificios y tensiones asociadas, efectos de tierra de infraestructura enterrada, máquinas rotatorias, áreas abiertas extensas, sistemas auxiliares con tensiones múltiples y la necesidad hoy en día de asegurar una ―tierra limpia‖ cuando se involucran sistemas de control. Por lo tanto, es importante que, a diferencia del tratamiento analítico para las subestaciones eléctricas, el ingeniero diseñador tenga una herramienta para 16
realizar cálculos manuales utilizando principios y criterios universales de los sistemas de puesta a tierra. Los objetivos cuando se diseña un sistema de puesta a tierra para estaciones de generación son: la puesta a tierra del neutro del generador, la puesta a tierra del equipo asociado y la puesta p uesta a tierra de seguridad. La puesta a tierra del neutro del generador (sólidamente aterrizado, por medio de una impedancia, etc.) se realiza para obtener la referencia de tierra del sistema eléctrico. Esta conexión se realiza en el punto neutro del generador o transformador. La puesta a tierra del equipo asegura una baja impedancia de retorno para las corrientes por tierra producto de una falla ocurrida entre los conductores vivos y la envoltura metálica del equipo. Si se asegura esta trayectoria de retorno, se asegura también que los dispositivos de protección operarán selectivamente y a tiempo para liberar la falla. La puesta a tierra de seguridad se realiza para proteger al personal de posibles daños. Esta conexión se realiza en aquellas partes donde generalmente no circula corriente, pero con riesgo de llevar corriente ante condiciones cond iciones anormales. Sistema de puesta a tierra en subestaciones Metal Clad Este tipo de subestaciones tiene la característica de estar formada por módulos con el objeto de aislar todos los componentes, tales como instrumentación, instrumentación, bus principal y entradas y salidas. Contiene generalmente todos los elementos asociados tales como control, instrumentación, medición, relevadores, protección y dispositivos de regulación.
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Desde el punto de vista de puesta a tierra, ésta se encuentra incluida en la subestación eléctricamente conectada junto con las estructuras de los módulos en los cuales se encuentran ubicados los dispositivos o equipos primarios. Es necesario que en todos los puntos de conexión entre el bus de tierra y el cuerpo del ensamblaje se retiren todos los aislamientos o recubrimientos no conductivos, tales como pintura, con el objeto de asegurar una continuidad eléctrica. El bus de tierra para cada grupo debe tener facilidades de conexión para otros elementos necesarios dentro o fuera de la subestación. Las conexiones al bus de puesta a tierra deben realizarse de tal manera que no sea necesario abrir el bus de puesta a tierra para retirar alguna conexión hecha en el bus de puesta a tierra. Las conexiones a tierra deben realizarse para todos los elementos que puedan ser retirados (no fijos) para asegurar que los marcos y mecanismos correspondientes siguen conectados a tierra hasta que el circuito primario y el elemento removible removible es colocado a una distancia de seguridad. Cuando se ubiquen envolventes de instrumentación, medición, relevadores y equipo similar, debe asegurarse la correcta conexión a tierra al bus de puesta a tierra. Debe asegurarse la correcta conexión del bus principal de puesta a tierra de la subestación con la red de puesta a tierra, por lo menos en dos puntos diferentes, con el objeto de asegurar continuidad en caso de la pérdida de uno de los conductores de conexión.
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Puesta a tierra de generadores síncronos La puesta a tierra de los generadores síncronos utilizados en la producción de energía eléctrica tiene el objetivo de proteger los elementos constitutivos del mismo para asegurar su integridad física y la continuidad del sistema eléctrico. Existes diversos esquemas de conexión a tierra:
Sólidamente aterrizado.
Aterrizado con baja impedancia.
Aterrizado con baja resistencia.
Aterrizaje resonante.
Aterrizado con alta resistencia.
Flotado.
La puesta a tierra con alta resistencia puede realizarse mediante transformadores de distribución o mediante resistencias especiales de conexión de neutro. La puesta a tierra con baja resistencia puede lograrse mediante resistencias conectadas al neutro del generador, así como la puesta a tierra con baja inductancia puede obtenerse mediante un aterrizamiento GFN (Ground Fault Neutralizar). Los tipos de puesta a tierra del neutro del generador tienen un impacto directo en los esquemas adecuados de protección de los generadores, los cuales generalmente están formados por relevadores que monitorean la falla y envían las señales para la apertura del circuito o acción preventiva. Por ejemplo, los esquemas de protección para generadores que utilizan métodos de puesta a tierra ya sea de alta resistencia o resonante, son generalmente sensibles para detectar fallas de fase a tierra en el secundario de los transformadores conectados al generador. 19
Una vez que el esquema de protección detecta una falla que puede producir daño al generador, éste es desconectado del sistema, ya que la premisa es cuidar al generador ante cualquier otra alternativa de operación. Uno de los riesgos de operar el generador con una puesta a tierra de baja impedancia es el daño ocasionado al núcleo, mientras que el riesgo de operarlo con una puesta a tierra de alta impedancia es la posibilidad de una segunda falla.
Sistema de puesta a tierra en instalaciones de baja tensión (distribución) El sistema de puesta a tierra para sistemas de distribución y circuitos de C.A. en baja tensión tiene cuatro propósitos principales:
Protección contra sobre voltajes. El rayo, sobre tensiones transitorias o el contacto no intencional de líneas de alta tensión pueden causar elevaciones de tensión peligrosas en los sistemas de distribución. La puesta a tierra ofrece una trayectoria alterna en el sistema eléctrico del hogar, oficina, trabajo o industria para reducir el daño por tales eventos Referencia para la tensión. tensión. Existen muchas fuentes de electricidad. Cada transformador puede considerarse como una fuente separada. Si no existiera una referencia común para todas estas fuentes, sería sumamente difícil calcular las relaciones de tensión entre ellas. La tierra es el elemento más grande que existe en el planeta que puede utilizarse como una superficie o volumen conductivo Operación de dispositivos de protección. La puesta a tierra proporciona una trayectoria de retorno de baja impedancia a la fuente para las corrientes de falla. Seguridad de las personas. Esta es la principal razón para la puesta a tierra en redes de distribución y circuitos de baja tensión. Cuando todas las 20
partes metálicas de los equipos eléctricos están conectados a tierra y el aislamiento interno del equipo falla, no se presentan tensiones peligrosas en la envolvente del equipo. Cuando esto sucede (el conductor energizado toca la envolvente del equipo) el circuito eléctrico está efectivamente cortocircuitado y los fusibles operan inmediatamente, eliminando las tensiones peligrosas. Independientemente del uso que se le asigne al sistema de puesta a tierra, NUNCA debe comprometerse la seguridad de las personas. Sistema de puesta a tierra cuartos de control y computadoras La conexión a tierra ha tenido en la práctica diversos enfoques, siendo el principal principal la seguridad, pero siguiendo a ésta la función de protección a los equipos e quipos e instalaciones, y finalmente la cuestión de funcionalidad de los equipos. Todas estas funciones no siempre son exigidas por las necesidades de una instalación, pero generalmente los sistemas eléctricos interactúan con otros sistemas para lograr un sistema total, de ésta manera deben tomarse en cuenta las características de cada subsistema para que éstos sean compatibles. Entre los subsistemas de conexión a tierra figuran principalmente: 1) el de seguridad de las personas, 2) el de protección contra descargas, 3) el de referencia para señal y 4) el subsistema de electrodos. Cada uno de ellos impone ciertas características al diseño del sistema de conexión a tierra, por lo que es necesario coordinar cada una de éstas características en la integración de un sistema de conexión a tierra total. La división de un sistema de conexión a tierra en subsistemas funcionales es necesaria para propósitos de análisis y estudio, sin embargo en el momento de diseño debe haber una integración de los diferentes subsistemas con sus respectivas características. Es por eso que es necesario el análisis que permita conocer estas características y hallar su compatibilidad. Por ejemplo, el 21
subsistema de conexión a tierra de seguridad sólo requiere que los equipos y partes metálicas sean puestos a tierra para evitar potenciales peligrosos y circulación de corrientes a través del cuerpo. Mientras que el subsistema de referencia para señal requiere cumplir con los requisitos del subsistema anterior pero además debe buscarse un esquema que evite la propagación de interferencia. En este caso parece haber conflictos entre un subsistema y otro debido a que generalmente en el subsistema de seguridad no se toman en cuenta los criterios para evitar interferencia de señales, lo cual conduce en la mayoría de los casos a hacer modificaciones que hacen inseguros los sistemas de conexión a tierra existentes, a cambio de hacerlos funcionales, es decir, libres de interferencia. Uno de los problemas principales es el uso de las ―tierras separadas‖ o uso
de electrodos independientes no interconectados. Esta práctica inadecuada es la que da origen a la necesidad de un sistema integral de conexión a tierra. Sistema de puesta a tierra para la protección contra tormentas eléctricas Desde el punto de vista de protección contra tormentas eléctricas debe utilizarse un SPT que minimice la elevación de potencial para reducir riesgos de electrocución y la formación de arcos laterales entre partes metálicas que pongan en peligro al personal y al equipo en la trayectoria de los conductores de bajada. bajada. El SPT debe integrarse por un arreglo de 3 electrodos por cada conductor de bajada cuando éstos no se interconecten entre sí por medio de un conductor enterrado. Cuando los electrodos de puesta a tierra de los conductores de bajada se interconecten entre sí mediante un conductor enterrado puede utilizarse un arreglo de uno o más electrodos de puesta a tierra. El SPT debe integrar, incluir e interconectar todos los sistemas dentro de la instalación (SPTE, sistemas de energía eléctrica, sistemas de telecomunicaciones, entre otros). Considérese la unión equipotencial. 22
Con el fin de mantener la elevación de potencial del SPT a niveles seguros, se recomienda que el valor de la resistencia de puesta a tierra se mantenga en niveles no mayores que 10 Ohms. Este valor de resistencia debe cumplirse para cada arreglo de 3 electrodos por conductor de bajada, cuando éstos no se encuentren interconectados. Los elementos que deben formar un SPT son:
Electrodos de puesta a tierra.
Conductores desnudos para unir los electrodos.
Conexiones soldable.
Pruebas en campos para efectuar mediciones de parámetros del SPT. Medición de resistividad del terreno Los cálculos de la malla de tierra en una subestación, están basados en el conocimiento del valor de resistividad del terreno. En algunos casos se pretende estimar el valor de este parámetro, bien sea por simple inspección del terreno o por extrapolación de mediciones realizadas en suelos cercanos. Sin embargo, debido a la cantidad de factores que afectan la resistividad, este procedimiento no es el más adecuado, ya que pueden obtenerse valores que determinen mallas sobredimensionadas (no económicas) o subdimensionadas (inseguras). Por tanto, es necesario realizar mediciones que den una idea exacta no sólo del valor de la resistividad promedio del terreno, sino de la resistividad de los estratos que puedan estar incluidos dentro del área de influencia de la malla a ser diseñada. Método de Wenner El método de Wenner es el más útil para diseños eléctricos, también conocido como el método de los 4 electrodos y consiste en colocar los electrodos 23
equidistantes a una distancia ―a‖, simétricamente respecto al punto en el que se
desea medir la resistividad del suelo, no siendo necesario que la profundidad de los electrodos auxiliares, sobrepase los 30 cm. El aparato de medida es un telurómetro clásico de 4 terminales, siendo los dos electrodos externos los de inyección de corriente de medida (C1 y C2) y los dos centrales los electrodos de medida de potencial (P1 y P2), como se observa en la Figura Nro. 1. .
Figura Nro. Nro. 1. Circuito de Medición Aplicando el e l Método Wenner.
El flujo de corriente en un medio está basado en el ―principio de conservación de la carga‖, más conocido como ―ecuación de continuidad‖. Esto
debe interpretarse como que la densidad de la corriente en el suelo decrece regularmente cuando aumenta la profundidad en la vertical de los dos electrodos centrales de medida del potencial, ya que la corriente penetra tanto 24
más como estén alejados los de la inyección. En un suelo homogéneo la profundidad de exploración (h) está comprendida entre ―a‖ y ―0.75a―.
En la practica se puede admitir que la resistividad aparente es, básicamente la de las capas comprendidas entre la superficie del suelo y la profundidad a la cual la densidad de corriente se ha reducido a la mitad del valor en la superficie, es decir, la prof undidad de investigación es ―0.75 a‖. El eje del sondeo eléctrico vertical y en consecuencia, de medida de resistividad, se encuentra en el medio del sistema simétrico compuesto por los cuatro electrodos; es decir, entre los dos de potencial.
Para obtener la resistividad, se aplica la siguiente ecuación, que puede ser simplificada como aparece, si la profundidad de enterramiento es 1/20 de la separación de electrodos: 2 a 2 11 11
a2 a2 aa
Donde;
: Es la resistividad aparente del terreno en ( Ω.m).
R : Es la resistencia medida por el telurómetro en ( Ω). a : Es la distancia entre los electrodos en (m).
Como los resultados de la medición son normalmente afectados por los materiales metálicos enterrados, se recomienda realizar la medición varias veces cambiando el eje de los electrodos unos 90°. Cambiando la profundidad y la distancia de los electrodos se puede tener un valor de resistencia más aproximado al real y con ello un mejor diseño del sistema de puesta a tierra a construir.
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La medición de la resistividad del suelo es comúnmente distorsionada por la existencia de corrientes de tierra y sus armónicas. Para corregir esto, los telurómetros tienen un sistema de control de frecuencia que permite seleccionar la frecuencia de medición con la menor cantidad de ruido y así obtener una medición clara.
Procedimiento y recomendaciones Una vez conocido el área donde se ubicará la subestación, las mediciones deben efectuarse en las direcciones mostradas en la figura
Figura Nro. 2. Direcciones recomendadas para realizar las mediciones de resistividad. Estas mediciones se inician con una separación de 3 a 5 m, según sea la profundidad necesaria de los electrodos para darles firmeza al enterrarlos. Las mediciones se deberán realizar aumentando la separación entre electrodos de 2 a 3 m, y deberán continuarse hasta cubrir una longitud de 1,5L. Luego se graficará en el campo para cada medición el valor de resistividad aparente ( a ) versus la
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separación interelectodica (A), a fin de determinar el punto donde la curva se vuelve asintótica. Modelo de dos capas En general los suelos presentan comportamientos multicapas, pero en la práctica actual, una representación muy aproximada del suelo se s e logra suponiendo que se divide en dos capas, la primera de las cuales tiene una profundidad (h) y la segunda una profundidad infinita, como se muestra en la figura Nº 3.3. Tomando en cuenta, que siempre debe ser el profesionalismo del ingeniero el que le permita hacer estos ajustes.
h
Figura Nº 3. Modelo de las dos capas. De la figura Nº 3, tenemos que: : Es la resistividad de la primera capa ( Ω-m).
1
: Es la resistividad de la segunda capa ( Ω-m).
2
h: Es la profundidad de la primera capa (m). Características de las medidas de resistividad Cualesquiera que sea el método de medidas, los parámetros a ser graficados en forma de puntos son la resistividad aparente y el espaciamiento entre los electrodos; resultando mayormente esquemas de suelo de dos capas 27
tendencias ascendentes o descendentes cuya pendiente es definida por ambas resistividades que a su vez dependen de la formación geológica, del sitio y del clima imperante, ver figura Nro. 4.
Figura Nº 4. Características de resistividad equivalente obtenidas por el método simplificado De la figura Nro. 4, tenemos que: Suelo Homogéneo ( 1 = 2 ) Suelo de dos Capas ( 1 > 2 ) Suelo de dos Capas ( 1 < 2 ) De estas relaciones, tenemos un parámetro denominado Factor de Reflexión (k), que es la relación entre los valores de resistividad de ambas capas, y esta descrita por la siguiente ecuación:
2 1 k 1 2
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Donde: k = 0, si 1 = 2 k menor a 0, si 1 es mayor a 2. k mayor a 0, si
1
es menor a 2.
Medición de resistencia de puesta a tierra La función primordial de la malla de puesta a tierra es la de proteger a las personas de voltajes peligrosos y eliminar la interferencia sobre circuitos de control y comunicación dentro de la subestación. En este sentido, la tecnología actual establece claramente que no existe artificio o medición indirecta alguna que sustituya la medición directa de la resistencia de puesta a tierra con una técnica adecuada. Estas mediciones son muy importantes para verificar la efectividad de una puesta a tierra recientemente construida o para detectar cambios como parte de una rutina de mantenimiento. Métodos de medición de resistencia de puesta a tierra
De curva de caída de potencial.
De regla del 62%.
De la pendiente.
De los cuatro potenciales o de Tagg.
De intersección de curvas.
De triangulación o de Nippold.
Estrella triángulo.
Por corriente inyectada.
Por tensión inducida.
Con referencia Natural.
Selectivo. 29
Método de curva de caída de potencial El método de la caída de potencial o de tres electrodos, se basa en obtener una curva como la presentada en la figura Nº 3.5. El método consiste en colocar el electrodo principal de corriente a una cierta distancia, de manera que el mismo este fuera de la zona de influencia de la puesta a tierra que se desea medir y el electrodo de potencial se varía progresivamente desde la tierra que se desea conocer, midiéndose el valor de resistencia de puesta a tierra para cada punto. Luego se grafica el valor de la resistencia medida versus la distancia del electrodo de potencial, siendo el valor real de resistencia del sistema aquella que se encuentre en la zona de inflexión de la curva o zona de potencial plano (generalmente esta zona de potencial plano se encuentra a una distancia igual al 62% con respecto a la separación entre sistema de tierra y el electrodo principal de corriente).
Figura Nro. 5. Método de la curva de caída de potencial
Para simplificar el método, el número de medidas se reduce a tres. La primera de ellas se realiza colocando el electrodo de potencial al 62%, y las otras 30
dos a ± 5 % de esta distancia. Generalmente, el valor de resistencia de puesta a tierra se toma como el promedio de estas tres mediciones.
Medición de la Continuidad Galvánica
Con la realización de esta pruebas, se busca comprobar que todas las estructuras metálicas, carcazas de equipos, cercas metálicas, tuberías etc. Se encuentre al mismo potencial, el potencial de tierra(V=0), verificándose de esta manera, que bajo condiciones de fallas en la Subestación todos los potenciales se eleven por Igual en toda las estructuras metálicas que están puesta a tierra, garantizando de esta forma la no ocurrencia del fenómeno de descargas eléctricas en forma de chispa entre los equipos. La metodología de la pruebas consiste, en sectorizar la subestación bajo estudios y en seleccionar un arranque o derivación de puesta a tierra de un equipo o estructura como de referencia. Este punto de referencia es cotejado con otros arranques o derivaciones de puesta a tierra de estructuras o equipos. Los resultados de los valores de continuidad galvánica deben estar por debajo de 0.05 Ω de acuerdo la norma IEEE 80. En caso que
exista una variación variación entre estos valores valores de continuidad continuidad galvánica que sea muy significativa, debe ser motivo de una investigación por que puede ser indicativo de una alta resistencia de contacto, conexión deficiente o empalme no adecuado.
31
Unidad 2 Crecimiento de potencial en la malla de tierra(GPR) y Tensiones de seguridad y Programa CDEGS. Compatibilidad Electromagnética
Objetivo Terminal: Determinar el crecimiento de potencial y las tensiones de seguridad y conocer un programa para diseño dise ño de malla de tierra e interferencia electromagnética. E identificar la interferencia electromagnética (EMC)
32
Interferencia Electromagnética EMI Cada vez notamos con más frecuencia en nuestros días que las industrias hacen uso de instrumentación electrónica para sus operaciones diarias (PCs, sistemas de adquisición de datos, sistemas de control, etc.). El incremento del uso de estos equipos electrónicos en muchos campos de la industria significa que tenemos más interacción entre estos equipos y las máquinas eléctricas (motores, generadores, transformadores, etc.) que funcionan en las plantas, lo cual generan inevitablemente interferencia electromagnética EMI (Electromagnetic Interferences) que puede ocasionar el mal funcionamiento de los equipos electrónicos y hasta causar daños irreparables con la consecuencia de grandes pérdidas para la empresa. La interferencia electromagnética es la degradación funcional o física en las características de un dispositivo, equipo o sistema; causada por una perturbación electromagnética. Esta es generada por las variaciones, tanto de corriente eléctrica y como de las tensiones (ruido electromagnético) ocasionadas por el uso de las máquinas eléctricas y equipos electrónicos. Además, existen otras posibles causas de interferencia electromagnética tales como: los fenómenos atmosféricos (rayos), las sobretensiones y el mismo cuerpo humano el cual puede generar tensión estática y hasta la misma interacción con otros componentes electrónicos. Los criterios a tomar en relación a las interferencias electromagnéticas se alcanzan a través de los criterios de compatibilidad electromagnética EMC (Electromagnetic Compatibility) cuyas directrices se basan en dos categorías:
Emisión: Es el fenómeno por el cual se emana energía electromagnética de una fuente. Esta directriz restringe la amplitud de la señal saliente de una potencial fuente de interferencia.
33
Inmunidad: Es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar sin degradarse en presencia de perturbaciones electromagnéticas. Esta directriz nos dice acerca del estándar de la cantidad de interferencia electromagnética (EMI) que un equipo electrónico puede soportar y operar normalmente sin sufrir daños.
Por otra parte, la interferencia electromagnética se puede dividir en dos categorías:
EMI por conducción: En este caso, la interferencia electromagnética se propaga vía cables (por ejemplo cables de alimentación). EMI por radiación: En este caso, la interferencia electromagnética se propaga a través del aire. Los efectos que producen estas interferencias electromagnéticas son las principales causas para una inapropiada operación de los equipos y por consiguiente falla en las medidas o en los datos que se toman y hasta podrían provocar daños a los equipos electrónicos.
Como se produce la interferencia electromagnética En todo fenómeno de interferencia electromagnética intervienen tres elementos, los cuales se mencionan a continuación:
La fuente: Es la que produce o genera la energía en forma de radiaciones o perturbaciones electromagnéticas. El conocimiento de esta hará que se determinen las acciones u operaciones oportunas para eliminar sus efectos: acoples, realimentaciones, ruido, interferencias, etc. El canal o medio de propagación: Es el medio mediante el cual se propagan las radiaciones o perturbaciones electromagnéticas hacia el 34
receptor. Las radiaciones se propagan hacia los diferentes dispositivos a través de dos vías, las cuales son: o
o
De campo a cable: Inducida en las pistas de los circuitos impresos. De cable a cable: Que se produce por inducción entre cables paralelos.
Las propagaciones de las radiaciones o perturbaciones de campo a cable, se deben tener en cuenta durante el proceso de diseño y fabricación de los equipos, mientras que las propagaciones de cable a cable se han de vigilar durante el proceso de la instalación de los equipos, especialmente en los cables coaxiales y otros cables que puedan generar perturbaciones electromagnéticas: cables telefónicos, de fuerza, de datos, etc. Por esta razón, es necesario mantener una distancia mínima entre los diferentes cables que pudieran estar presentes en una canalización común.
El elemento afectado o receptor: Es cualquier equipo susceptible de captar la radiación electromagnética que es generada por la fuente y propagada a través de un medio, bien sea a través de cables o por el aire.
Compatibilidad Electromagnética EMC La compatibilidad electromagnética, es la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema para no dejarse afectar ni afectar a otros equipos por la energía electromagnética, bien sea radiada o conducida. En Europa, muchos de los equipos indican su compromiso con las directrices de EMC que incluyen esta información como parte de sus especificaciones. Entre los factores que pueden afectar la EMC se encuentran los siguientes:
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Susceptibilidad: Es la incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema para operar sin degradarse en presencia de perturbaciones electromagnéticas.
Existen dos tipos de susceptibilidades, las cuales se mencionan a continuación:
Susceptibilidad por radiación: Es la incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema para operar sin degradarse en presencia de perturbaciones electromagnéticas propagadas a través del aire. Susceptibilidad por conducción: Es la incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema para operar sin degradarse en presencia de perturbaciones electromagnéticas propagadas a través de los cables.
Por otra parte, tenemos otros fenómenos que pueden afectar la compatibilidad electromagnética los cuales se mencionan a continuación:
Emisión por radiación: Es el fenómeno por el cual se emana energía electromagnética de una fuente la cual se propaga a través del aire. Descargas electrostáticas: Son las que se producen cuando los equipos se encuentran próximos a dispositivos, equipos o sistemas cargados con electricidad estática.
Perturbaciones Electromagnéticas La perturbación electromagnética es cualquier fenómeno electromagnético que puede degradar las características de desempeño de un dispositivo, equipo o sistema. En este sentido, Los equipos están expuestos a varias alteraciones que pueden provenir de la red de energía de ellos mismos o radiados por el ambiente. 36
En la figura Nro. 6 se presentan algunas de las perturbaciones electromagnéticas típicas.
Figura Nro. 6.
Perturbaciones Eletromagnéticas típicas.
Por otra parte, en la figura se muestran los límites y márgenes que la EMC establece a estas perturbaciones.
Figura Nro. 7. Límites y márgenes de EMC 37
De la figura Nro. 7, se desprenden varias definiciones las cuales se mencionan a continuación:
Nivel de emisión: Es la magnitud de una perturbación electromagnética dada, emitida desde un dispositivo, equipo o sistema en particular, medida de una forma específica. Límite de emisión: Es el máximo nivel admisible de emisión que puede generar un equipo sin provocar una perturbación electromagnética. Nivel de inmunidad: Es la máxima magnitud de una perturbación electromagnética dada, que incide de manera específica sobre un dispositivo, equipo o sistema en particular, en el cual no ocurre degradación de su operación. Límite de inmunidad: Es el mínimo nivel de inmunidad requerido. Nivel de perturbación: Es la magnitud de una perturbación electromagnética, medida de una forma específica. Nivel de compatibilidad: Es la magnitud de una perturbación a la cual debe existir una aceptable y alta probabilidad de compatibilidad electromagnética. Margen de emisión: Es la relación entre el nivel de compatibilidad electromagnética y el límite de emisión. Margen de inmunidad: Es la relación entre el límite de inmunidad y el nivel de compatibilidad electromagnética.
38
Margen de compatibilidad: Es la relación entre el límite de inmunidad y el límite de emisión.
Por último, en la figura Nro. 8 aparecen las variaciones de tensión aceptadas por la IEEE 1159-1995 [6].
Figura Nro. 8. Variaciones de tensión según IEEE 1159-1995 NIVELES DE EMC Para cada tipo de perturbación, es el nivel especificado de perturbación para el cual debe existir una probabilidad de EMC. En la figura Nº 3.12 se muestra tanto el límite de emisión e inmunidad de equipos como los niveles de perturbación e inmunidad en el sistema. Este nivel tiene una pequeña probabilidad (usualmente el 5 %) de no ser superado.
39
Figura Nro. 9. Niveles de EMC.
40
Unidad 3 Diseño de sistema de puesta a tierra según las normas que la rigen.
Objetivo Terminal: Diseñar según especificaciones de las normas IEEE, ETGS EDELCA un Sistema de Puesta a Tierra utilizando casos reales.
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M E S D E S D E L E S M E S D E E EM M O O R R I I A S D ES S C C R R I I P P T T I I V V A S D E LAS M EJ J O O R R A S D EL S I IS S T T E E M M A D E P E P U UE E S S T T A A T I ) . ) ( D E S S D E L E IE E R R R R A ( S S. P .a .T ) ( DE L E LAS U N NI I D D A D E ES G S G E EN N E E R R A D O OR R A S D E LA M I IC C R R O O C C E E N N T T R R A L H I ID D R R O O E E L E C CT T R R I I C C A C AN AI M MA
RESUMEN: Este memoria describe las mejoras técnicas generales y particulares y los diagramas o esquemas de mejoras que se debe implementar para efectuar las modificaciones modificaciones propuestas, producto de la evaluación del Sistema de Puesta a Tierra Tierra de la Microcentral Hidroeléctrica Canaima.
OBJETIVO La presente memoria tiene por objeto describir en toda su partes, los requerimientos y aspectos técnicos a ser contemplados para la ejecución de la obra ‖MEJORAS DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA (S.P.a.T.) DE LAS
UNIDADES GENERADORAS DE LA MICROCENTRAL CANAIMA
ALCANCE Esta memoria describe las mejoras a ejecutar del Sistema de Puesta a Tierra y protección contra descargas atmosféricas de: 1. Banco de transformación elevador interno de 3 X333 KVA, tablero de distribución de baja tensión, 220/120 V, estructuras de las dos (2) unidades generadoras todos pertenecientes a la Microcentral Hidroelectrica Canaima propiamente dicha. . 2. Banco de transformación principal de 3X 75 kva de la caseta de distribución del campamento de la Microcentral, Hoturvensa y Maloca de la comunidad de Canaima.
42
Las mejoras de esta obra incluye incluye instalar parillas y/o conductores enterrados que sirvan de contrapesos, barras de puesta a tierra y/o sustancias químicas en huecos excavados especialmente para prever una puesta a tierra permanente y efectiva para conexiones del neutro de los transformadores, estructura de los equipos eléctricos, conduits, pararrayos y toda las partes métalicas que no conduzcan corriente, incluyendo las pieza de acero estructural y las cercas metálicas de acuerdo a este documento, a los planos o diagramas, especificaciones generales y particulares de las mejoras contempladas en la obra. Asimismo, se deberán elaborar y/o actualizar los planos como construidos tomando como bases todos los diagramas de mejoras tanto civiles como eléctricos que se manejan en esta obra.
LISTA DE PLANOS / ESQUEMA DE LA OBRA. OBRA.
ESQUEMA No. 1 Mejoramiento de electrodos con compuestos Químico
ESQUEMA No. 2 Pozo químico para diferentes tipo de suelo
ESQUEMA No. 3 Alternativa para el Sistema de Puesta a Tierra (SPT) (SPT) de la Microcentral Hidroeléctrica ESQUEMA No.4 Alternativa para el Sistema del Puesta a Tierra (SPT) de la Cerca Perimetral. ESQUEMA No. 5 Alternativa para el Sistema de puesta a Tierra (SPT) de la Caseta de Distribución de la Maloca ESQUEMA NO. NO. 6 Malla Perimetral Perimetral de Puesta a Tierra de la Casa de Máquinas Microcentral Canaima.
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REFERENCIA
INFORME TECNICO No. IT-O5- 2003 ―Evaluación del Sistema de Puesta a Tierra de la Microcentral Hidroeléctrica Canaima ubicado en el municipio Gran Sabana. Estado Bolívar‖.
ETCGS/COC-140 ―Red de Tierra‖
ETCG/COC-030 ―Excavaciones y Rellenos‖
―ETGS/EEM-270 ―Equipos Eléctricos en General‖
―Trabajos Eléctricos Eléctricos en General‖ ETGS/MPS-040 ―Trabajos
NORMA IEEE 80 ―Guide for Safety in Substation Grounding‖
NORMA IEEE 81 ―Guide for Measuring Earth Reasistivity Ground Impedance, and Earth Surfaces Potentials of a Ground System‖.
NORMA IEEE 665‖Guide Generating Station Grounding‖
NORMA IEE 142 ―Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems‖ (Green Book)
Norma COVENIN 200 ―Código Eléctrico Nacional‖
DESCRIPCIÓN DE LOS TRABAJOS
A continuación se describen los requerimientos de los trabajos de mejoras en el sistema de puesta a tierra tierra y protección contra descargas atmosféricas atmosféricas de: 1. Sistema de Puesta a Tierra de la Microcentral Hidroelectrica Canaima (propiamente dicha), del Banco de Transformación Elevador Interno de 3x333 Kva y del Tablero de Distribución de de Baja Tension a 220/120 220/120 V EL CONTRATISTA suministrará cuando mínimo dos pozos químicos que harán la función de electrodos principales de la malla de puesta a tierra donde se conectará todos los conductores de puesta a tierra que forman la malla 44
incluyendo los conductores de puesta a tierra de los equipos , tal como se indican en el ESQUEMA ESQUEMA No. 3 ( Alternativa Alternativa para el SPT de la Central Hidroelectrica Canaima) y ESQUEMA No.6 (Malla Perimetral de Puesta a Tierra de la Casa de Máquinas Microcentral Microcentral Canaima), la resistencia resistencia de puesta a tierra de la malla debe ser igual o menor a 5 ohmios y que las sustancias químicas utilizadas para su ejecución no dañen el medio ambiente y cumplan las normas o especificaciones que el Ministerio del Ambiente crea necesarias. Los pozos químicos deben ser adecuados para una alta resistividad del terreno comprendida entre 6000 y 10000 ohmiosmetros y deben ser de fácil mantenimiento. Los pozos químicos se interconectarán entre sí con conductores iguales o semejantes a los de cobre trenzado desnudo Calibre 2/0 AWG para formar la malla de tierra. En la fig. 1 y fig. 2 se muestra la configuración de pozo químico o suelos artificiales para diferentes tipos de terrenos en la sección de esquema del anexo. EL CONTRATISTA suministrará y colocará conductores de cobre trenzado y desnudos calibre 1/0 AWG de los bajantes bajantes de puesta a tierra de los pararrayos existentes hasta una barra o jabalina de acero cobrizo tipo Copperweld de 2,44 o 3 m de longitud y de diametro de 5/8 de pulgada conectada eléctricamente con soldadura exotérmica a la malla de tierra, y desde allí, se colocarán y se conectarán tres conductores de contrapesos de acero cobrizo recocido tipo Copperweld No. 4 AWG, diametro 5,19 mm, 30% de conductividad, tendido en forma radial de longitudes de 50 m respectivamante, enterrados a 50 cm de profundidad y en el extremo libre de cada conductor se conectara una jabalina de acero cobrizo de 2,44 o 3 m de longitud y de diametro de 5/8 de pulgada conectada eléctricamente con soldadura exotérmica separadas a 60 grados uno de otro, formando lo comunmente conocido como pata de gallina
45
2. Cálculo del Calibre Mínimo de los Conductores Para el cálculo utilizaremos la ecuación desarrollada por SVERAK, J.C. J.C. La cual permite determinar cuantitavamente, en un instante de tiempo, el incremento de la temperatura en los conductores que conforma la malla de tierra. Adicionalmente tambien permite evaluar la ampacidad de cualquier conductor si son conocidas las constantes del material material o que puedan ser determinada por cálculos adicionales
I= A* Donde: I = Corriente RMS en Ka A = Sección tranversal del conductor en mm Tm= Temperatura máxima permisible en °C Ta = Temperatura ambiente en °C Tr = Temperatura de referencia para la constante del Material en °C °C o = Coeficiente térmico de d e resistividad a 0 °C r = Coeficiente térmico de la resistividad a la temperatura de referencia Tr. Pr = Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr en micro ohmio/cm Ko = 1/
o
ó ( 1/ r) – Tr
tc= Tiempo que dura la circulación circulación de la corriente de falla en segundo TCAP = Factor de capacidad capac idad térmica en J/cm /°C /°C En nuestro caso, en vista que no conozco la corriente de cortocircuito; para este tipo de microcentral con dos unidades puedo asumir que la máxima corriente de falla va de 5 a 7 kA, y el tiempo máximo de despeje de corriente 46
de falla (tc) =0.5 seg; de la norma ANSI/IEEE Std 80—1986 se tiene los siguientes datos para un conductor estirado en frio:
Conductividad del material = 97%
Coeficiente térmico de resistividad (@r) a 20° 2 0°C= C= 0,00381
Const Constan ante te Ko Ko = 1/ 1/ o a 0°C = 242 242
Temperatura máxima de fusión del cobre TM= 1084°
Resistividad del cobre (Pr) a 20°C=1,7774 20°C=1,7774 micro-Ohmios/
Factor de Capacidad térmica (TCAP valor efectivo)= 3,422J/
Temperatura ambiente (Ta) =40°C
Utilizando la ecuación de SVERAK, J.C. Se obtiene la sección en mm del conductor de cobre que es capaz de soportar una corriente de falla de 7 Ka por un tiempo máximo de despeje de falla de 0,5 segundo. Sin que el conductor sufra ningún tipo de recalentamiento o fusión.
A = 7/
= 17,94 mm
Esta sección corresponde a un conductor de cobre desnudo N° 5 AWG, el cual no cumple con los requerimientos básicos de cualquiera malla de tierra recomendada por la norma ANSI/IEEE Std 80-1986. para cumplir con los requerimientos básicos recomendados por la norma ANSI/IEEE, selecionaremos un conductor de cobre desnudo de mayor calibre considerando en un futuro cambios en el sistema de 47
potencia de la microcentral que impliquen un incremento de corriente de falla, el cual es el 2/0 2/0 AWG trenzado y concéntrico tipo ―B‖ que tiene un área de 67,43
mm y diametro 0,00927 m y tiene capacidad de soportar una corriente de falla por el orden de los 26,67 kA por un tiempo máximo de despeje de la falla de 0,5 segundo.
3. Calculo de la Longitud Total de los Conductores Conductores Tomando una malla de 16 m x 16 m, los conductores estaran distribuidos a la misma distancia. El reticulado entre los conductores seran de 8 m x 8 m y los conductores sera enterrado a una profundidad de 0,5 m con respecto a la superficie del suelo, consideraremos puesta a tierra de profundida especialmente en los sitios donde se ubique los pararrayos, neutro del transformador. Utilizando la formula de la longitud total del conductor que se utiliza para malla con barra de tierra predominante alrededor de la periferia, en m L = Lc + 1,15 Lr Donde: Lc : Suma de longitudes de los conductores que conforman la malla de tierra, en m =2* numeros de conductores paralelos a las longitudes* longitud de lado (ancho u largo) Lc = 2*3*16 = 96 m Lr : Suma de las longitudes longitudes de la barras de tierra colocadas en la malla de de tierra = N° de barras* Longitud de barras Lr = 10*2,44 =24,4 m Luego: L= 96 +1,15* 24,4 = 123,60 =124 m Considerando la conexión de los pozos químicos con la malla de tierra sumamos 50 m Lt = 174 m 48
4. Cálculo de las tensiones de paso y toque Para las tensiones de paso y de toque utilizaremos las ecuaciones desarrolladas en las normas ANSI/IEEE Std80-1986 para una persona de peso de 70 Kg. Tensión de Paso (Estep) =
(3)
Tensión de Toque(Etouch)=
(4)
Factor de Reflexión (k) =
(5)
Donde: Ps: Resistividad de piedra picada, 3000 ohmios- metros Cs: Factor de reducción de resistividad de la capa de piedra picada, es una función del espesor de la capa de piedra picada y del factor de reflexión de las resistividades del suelo y la piedra picada, se obtiene de la figura No. 8 del capitulo No.5 de la Norma Ansi/IEEE Std 80-1986 Tc: Tiempo de despeje de la falla, 0,5 s P: Resistividad del suelo 5000 Ohmios metros De la ecuación (5) se obtiene o btiene el factor de reflexión K= 0,25, para este e ste factor de reflexión y un espesor de la piedra picada de h= 0,10 m, se determina el factor de reducción Cs=0,6 que afecta la resistividad de la piedra picada. Aplicando la ecuación (3) obtenemos: Tensión de paso (EStep) = Tensión de toque (Etouch) =
= 2609,3 V = 818,17 V
5. Cálculo de la resistencia de puesta a tierra tierra de la la Malla. 49
Con la ecuación de Sverack’ s, la cual es utilizada conductores son colocados a una profundidad profundidad ‖h‖
en las mallas cuyos
entre 0,25 y 2,5 m, se
cálcula la resistencia de puesta a tierra de la malla (Rg).
Rg = p*[ Donde: P: Resisistividad del suelo, en ohmios-m L:Longitud total de conductores enterrados incluyendo la longitud de la barra enterradas, en m A: Área que ocupa la malla de tierra en, h: Profundidad de colocación de los conductores que conforman la malla,en m Rg = 5000[
+
=194,6 Ohmios
Pero considerando que existe alta resistividad del suelo y que se hace un compromiso con la construcción de pozos químicos de tal manera que la resistencia de la malla de tierra debe ser igual a 5 ohmios. 6. Cálculo de la Corriente Corriente Máxima Inyectada a la Malla Considerando que la corriente de falla asimétrica inyectada a la malla IG, es igual a la corriente máxima de falla Ig, pero afectada por el factor de división de corriente Sf y el factor de decremento Df para un tiempo máximo de despeje de la falla de 0,5 s.
* Donde: 50
Sf =0,6 Df=1 = 7000 A = 4200 A 7. Cálculo de la Elevación del Potencial en la Malla G PR =
*
= 4200*5= 21000 V
En vista que la tensión de toque segura es menor que el GPR, se hace necesario calcular las máximas tensiones de Malla (Em) y Paso(Es), hay que tener en cuenta que la resistencia de la malla e tierra es de 5 ohmios por consideración de los pozos químicos considerados llevando estos a una mejora de la resistividad del suelo que debe calcularse a partir de la resistencia . Rg = p [
+
= p(0.0191*1.986)=p*0.0379
P= Rg /0.0379= 5/0.0379=132 Ohmios-metros
8. Cálculo de las Tensiones de Malla (Em) y Paso (Es) El cálculo de estas tensiones se obtiene como el producto de los factores geométrico Km y Ks y un factor de corrección Ki. Estos factores toma en consideración el incremento de la densidad de corriente en la malla, resistividad del suelo (p) y el promedio de la densidad de corriente por unidad de conduc conductor tores es enter enterra rado do ( /L). /L). Las tens tensione ioness de malla malla y paso paso se determ determina ina por las siguientes ecuaciones: 51
Tensión de Malla (Em) =
Tensión de Paso (Es) = Donde: P: Resistividad especifica del suelo, en Ohmios-metros Km: Factor de separación para voltaje de tierra
Km = Con:
=1, Para malla con barra de puesta a tierra en las esquinas,
mallas con barras en la periferia y en todas partes del área de la malla D:Separación entre conductores paralelo de la malla, en m h: Profundidad a la cual se entierran los conductores de la malla, en m d: Diámetro del conductor de la malla, en m =
;
= 1 m, Profundidad de referencia de la malla
Ki: Factor de corrección por la geometría geometría de la malla Ki = 0,656+0,172*n, Con n:Números de conductores Ks: Factor basado en la geometría y profundidad de la malla Para mallas enterradas a una profundidad en el rango De 0,25 m 52
Ks = Sabiendo que: Aplicando las ecuaciones arribas definidas, calculamos las máximas tensiones de malla y de paso. = 1, h= 0,5 m ;
=1,225
Km =
=0,961
Ki =0,656+0,172*3 =1,17 Ks =
= 0.41
Lt= 174 m (Em) =
=
=3582 V
Observamos que el valor obtenidos para la tensión de malla
= 3582
= 818,17 aumentamos la longitud de los conductores que van de la malla de tierra a los a pozos Químicos a 50 m cada uno Lt =224 m; y considerando una resistencia de puesta a tierra de 2 ohmios y una corriente de falla de 5000 amperio ya que esta corriente estaba sobredimensionada, luego obtenemos: P= Rg /0.0379 = 2/0,0379 = 52,77 Ohmios metros *
0,6*1*5000= 3000
53
(Em) =
=
(Es) =
=
= 339,02 V
Con los cambios realizados, observamos que el valor obtenido para la tensión de malla de 794,63 V es menor que la máxima tensión de toque tolerable tolerable calculada, Etouch=818,17 V, así como el valor obtenido de la la tensión de paso Es= 339 V es menor que la máxima tensión de paso tolerable calculada Estep =2609,3 V ; por lo cual se ha conseguido una mejora de la malla de tierra segura para la Microcentral Hidroelectrica Canaima, desde el punto de Vista de la tensión de toque y de paso.
9. Computos Métricos En la tabla siguiente se presenta los computos Métricos de los materiales para la mejora de la malla de tierra
N° 1
Descripción Descri pción
Unidad
Cantidad Cantid ad
Conductor de cobre desnudo, calibre 2/0 AWG, trenzado clase
m
174
“B”
2
Conexiones exotérmica en posición T , entre conductor pasante calibre 2/0 AWG y derivación calibre 2/0 AWG
Und
6
3
Conexiones exotérmicas en posición + , conexión cruzado y superpuestos en forma horizontal
Und
2
54
N°
Descripción Descri pción
Unidad
Cantidad Cantid ad
4
Pozos Quimicos
Und
2
5
Barras tipo Copperweld de
Und
18
Und
12
m
120
diametro 5/8” y longitud 2,44 m
6
Conexiones exotérmica entre conductor de cobre 2/0 AWG pasante de barra de tierra, tipo Copperweld
7
Conductor de cobre desnudo, calibre 1/0 AWG, trenzado clase “B” para la puesta a tierra de los
equipos y estructuras metalicas 8
conductores de contrapesos de acero cobrizo recocido tipo Copperweld No. 4 AWG
m
150
9
Terminales bimetálicos a compresión de dos ojos con tornillos de acero inoxidable para la puesta a tierra y fijar los equipos y estructuras
Und
25
55
