CAPITULO 5 INTERCONEXIÓN DE MALLAS DE TIERRA En determinadas situaciones puede ser conveniente interconectar diferentes puestas a tierra de una instalación, con el objeto de mejorar las características del conjunto y disminuir las diferencias de potencial entre distintos puntos de éstas. Sin embargo, no siempre es adecuado, como regla general, realizar la interconexión de puestas a tierra, y en cada situación debe analizarse las ventajas e inconvenientes de hacerlo. Un ejemplo simple de la inconveniencia de unir puestas a tierra, es el caso de subestaciones de muy diferente nivel de voltaje e importancia, donde la interconexión de sus puestas a tierra significa transferir innecesariamente altas elevaciones de potencial desde la subestación de mayor voltaje, -y probablemente con mayor corriente residual de falla- hacia la instalación de menor voltaje nominal. Puede ser preferible en estas circunstancias mantener separadas las puestas a tierra y emplear medios especiales de aislamiento, si se debe traspasar información desde un lugar a otro. Otro ejemplo de la necesidad de contar con una puesta a tierra independiente y no interconectada con otras, se produce en el caso de equipos y servicios de comunicaciones e informática. Si la puesta a tierra de comunicaciones está interconectada con otra puesta a tierra de servicio, la primera participará en la conducción de las pequeñas corrientes que circulan a tierra en condiciones normales, las que dan origen a también pequeñas diferencias de potencial entre distintos puntos de la puesta a tierra de comunicaciones, pero suficientes como para producir interferencias en la transmisión de información. Ahora, al producirse una falla en la instalación de potencia, el efecto sobre los equipos mencionados puede se catastrófica. Otra situación, en que no solo se justifica sino que es necesario o imprescindible una interconexión, es la unión de una puesta a tierra con electrodos auxiliares, con el objeto de reducir la resistencia combinada y, por tanto, las solicitaciones de voltaje. Este caso es frecuente en puestas a tierra de instalaciones ubicadas en terrenos de alta resistividad y donde, por ejemplo, existe la posibilidad de instalar electrodos auxiliares en una zona de suficiente menor resistividad, como puede ser un lago o río próximo a la instalación. De todas maneras, la decisión sobre la interconexión de puestas a tierra debe responder a un análisis técnico-económico que considere las distintas opciones de solución y sus costos, teniendo siempre presente como aspecto prioritario, la seguridad de las personas en la instalación.
5.1 Método de cálculo cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas interconectadas El cálculo exacto de puestas a tierra interconectadas se puede realizar aplicando el mismo procedimiento general utilizado para p ara una sola, considerando los elementos de todas las puestas a tierra y los elementos de interconexión embebidos en el terreno. Sin embargo, para fines
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prácticos es conveniente y suficiente emplear métodos aproximados de cálculo más simples, que proporcionen una exactitud adecuadamente conservativa. Una forma de proceder para el cálculo aproximado de puestas a tierra interconectadas, es considerar a cada uno de los componentes que participan en la interconexión: puestas a tierra propiamente tales y cables de interconexión enterrados, como electrodos equivalentes. De este modo, conociendo la resistencia propia de cada uno y las resistencias mutuas entre ellos, se configura un sistema de ecuaciones similar al configurado en el método general de cálculo de resistencias. A continuación se analiza la interconexión de dos o más mallas de tierra considerando los efectos mutuos respectivos y aplicando el método de cálculo de resistencia de electrodos compuestos, para lo cual se supone a cada malla individual como un electrodo componente.
Figura 5.1: Interconexión de dos mallas de tierra. En la figura se muestran dos mallas interconectadas entre sí y su respectivo circuito equivalente; en este circuito: -- R 1 = resistencia de puesta a tierra de malla 1 -- R 2 = resistencia de puesta a tierra de malla 2 -- R 12 = resistencia mutua entre mallas 1 y 2 -- Z = impedancia de cables de unión entre mallas o equivalente de todos los elementos de unión externos al terreno. Es conveniente duplicar el conductor de unión de dos mallas, con el propósito de asegurar la conexión frente a daño mecánico o de otro tipo. Habitualmente se conoce R 1, R 2 y Z; la resistencia mutua entre mallas, R 12 se estima por el método de la semiesfera equivalente. Este método, asigna a cada malla una semiesfera de radio tal que tenga igual resistencia de puesta a tierra y la resistencia mutua resulta: e
R 12 = ----2s e = resistividad equivalente del terreno, s = distancia entre los centros de las mallas de tierra o de sus semiesferas equivalentes.
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En el momento en que se produce una circulación de corriente al terreno, se considera la peor situación de corriente de falla IF, con corrientes I1 e I2 difundidas respectivamente por las mallas 1 y 2 y se determina finalmente la resistencia equivalente del circuito de la Figura anterior. Se cumple: IF = I1 + I2 V1 = R 1·I1+ R 12·I2 V2 = R 12·I1+ R 2·I2 Conociendo la impedancia Z de los elementos de unión se puede plantear una tercera ecuación para la diferencia (V1 - V2 ) y conformar un sistema consistente de ecuaciones para las corrientes y los voltajes por malla. Si la impedancia de los elementos de unión es muy pequeña (Z 0), se acepta que V1 = V 2 y se obtiene como resultante la expresión similar a un electrodo compuesto: R 1 R 2 - R 12² R = --------------------R 1 + R 2 - 2R 12 y las corrientes por cada malla se reparten según: R 2 - R 12 I1 = ------------------- I F R 1 + R 2 - 2R 12 R 1 - R 12 I2 = -------------------- I F R 1 + R 2 - 2R 12
siendo IF = I1 + I2 la corriente total de falla y VM = R · IF la elevación de voltaje de ambas mallas.
5.2 Efectos sobre el sistema La distancia de separación entre dos mallas que se interconectan incide directamente en la resistencia mutua R 12 entre ambas. Si las mallas están suficientemente alejadas, este efecto mutuo desaparece y la interconexión provoca la combinación paralela de ambas mallas, reduciendo significativamente el valor final de resistencia de puesta a tierra. Si las mallas están próximas, traslapando sus zonas de influencia, la interconexión externa al terreno es ineficiente, pues el valor final de resistencia no será significativamente menor. En este caso, la unión de las mallas con conductores enterrados, formando una sola malla, aparece en general como una
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solución más atractiva. El valor final de resistencia de puesta a tierra en este caso debe evaluarse empleando las expresiones de Laurent o Schwarz. En cualquiera de las situaciones anteriores, la interconexión de mallas o la unión con conductor enterrado, la corriente de falla total en cada instalación aumenta, puesto que se ha reducido la resistencia de puesta a tierra final. No obstante, esta corriente de falla circulará por ambas instalaciones, según la proporción definida por las expresiones indicadas, y las condiciones de seguridad en esta nueva situación no necesariamente serán más riesgosas que antes. Sin embargo, esta nueva corriente de falla circula también por los alimentadores, por lo que éstos serán más exigidos, salvo que las respectivas protecciones operen adecuadamente.
Figura 5.2 Circuito de corriente de falla monofásica a tierra Si Z0, Z1 y Z2 son las impedancias de secuencia cero, positiva y negativa respectivamente, vistas desde el punto de falla, entonces la corriente de falla queda definida por la expresión:
I F
3V Z 0
Z 1 Z 2 3(Z N R F R M )
Los voltajes generados entre las fases sanas y tierra en esta contingencia son: V b , c
3 3 (Z 0 3Z T ) j (Z 0 2Z 2 V Z 0 Z 1 Z 2 3 Z T 2
donde ZT representa la impedancia total del camino de tierra:
3Z T )
ZT = Z N + R F + R M
La reducción de R M aumenta IF y modifica también los voltajes generados en las fases sanas.
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El comportamiento general descrito anteriormente cambia radicalmente cuando no se considera falla remota, sino que la corriente de falla entra y deja el terreno por dos puestas a tierra relativamente cercanas. Las distorsiones que aparecen en esta situación deben ser estudiadas necesariamente.
5.3 Voltaje transferido a otros conductores cercanos La versión 1986 de la IEEE Std.80 entrega una expresión general para evaluar el voltaje de contacto en un punto en la superficie del suelo, ubicado a una distancia x desde el borde de una malla. Dicha expresión de potencial se obtiene sumando las caídas de voltaje en sentido vertical, entre la malla y un punto en superficie ubicado sobre el conductor periférico y el potencial entre ese punto y otro en superficie a distancia x del conductor:
Considerando que el voltaje de contacto corresponde a la diferencia entre el voltaje de la malla VM y el voltaje en un punto del terreno a distancia x, VS(x) , significa entonces que el voltaje existente en el terreno en dicho punto puede evaluarse por: VS(x) = VM – VC(x) Como ejemplo, se estudia con apoyo del software MALLA, la influencia de un flujo de corriente residual de 1000 Ampéres por una malla de 8 x 18m², sobre otro electrodo de tierra próximo de 4x4 m², aislado. La malla está formada con conductor 4/0 AWG y tiene cuatro barras de 3 m. cada una y diámetro 5/8" en sus esquinas; el electrodo no difunde corriente y es de conductor 2/0 AWG. Ambos están enterrados a 0,6 mt. en un terreno de dos capas de características: 1=20 Ohm-m, h1 = 4 m; 2=800 Ohm-m; h2=variable. Su disposición se muestra en la Figura .
Figura 5.3 Vista en planta de los Electrodos.
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Los valores de potencial resultantes se entregan en la tabla 2, en función de la separación de las mallas para desplazamientos longitudinal y lateral con respecto a la malla principal. TABLA 4.1 Potenciales en malla secundaria para distintas separaciones.
Los potenciales de paso y contacto propios de la malla principal cuando el electrodo está muy alejado y existe cableado eléctrico entre ellas, o en la desconexión eléctrica cuando ambas están próximas. En este caso particular, la información obtenida permite afirmar que una capa superficial de grava de s= 3000 Ohm-mt en torno a la superficie abarcada por ambas mallas, es suficiente para satisfacer todas las condiciones de seguridad hasta separaciones de 12 m y tiempos de duración de la falla no superiores a 0,5 seg., sin necesidad de interconexión. En los restantes casos, todos los conductores eléctricos entre ambas mallas deben ser tratados como conductores vivos y proveído de la aislación adecuada.
5.4 Desconexión de tierras en sistemas de transmisión Dos situaciones especiales que por lo general motivan inquietantes dudas y que son de difícil detección bajo operación normal del sistema eléctrico, corresponden a la discontinuidad eléctrica de un cable de tierra (conductor de unión entre diversas tomas a tierra) y la apertura accidental de una conexión a tierra. Un estudio del efecto producido ante la eventual ocurrencia de estas situaciones, sólo puede realizarse con el apoyo de métodos generales que permitan una estrecha relación del sistema real y de sus alteraciones. Un procedimiento de cálculo general para abordar este tipo de problemas al presentarse una falla fase-tierra fue propuesto por Dawalidi [1], en base al cual se ha elaborado un software computacional para PC denominado FALLA, escrito en lenguaje FORTRAN. El procedimiento consiste en seccionar el sistema entre puestas a tierra y formular ecuaciones de bucle por sector, con los valores reales del modelo de parámetros concentrados para líneas, cables y tomas de
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tierra. Cada sector se identifica individualmente y en consecuencia puede modelarse cualquier tipo de alteraciones puntuales. Mediante relaciones de recurrencia para las corrientes por sección, se logra configurar un sistema de ecuaciones con un reducido número de incógnitas (exclusivamente corrientes por los conductores activos, corriente a tierra en el punto de falla y corriente de retorno por cada alimentación). Las restantes corrientes se obtienen por aplicación sucesiva de ecuaciones de nudos. El modelo utilizado por el programa considera múltiples alimentaciones a una falla y caminos paralelos de retorno. Cada línea de alimentación puede tener varias secciones que se modelan como se indica en la figura siguiente. Cada sección corresponde al tramo entre dos puestas a tierra consecutivas.
Figura 5.5 Modelo de una línea de alimentación a falla y retorno Como ejemplo de esta situación, se estudia un sistema de transmisión en 110 KV constituido por dos líneas de simple circuito que convergen a un nudo (S/E); cada línea posee conductores de fase tipo BUTTER de 312,8 MCM AASC y cable de guardia continuo de acero de 5/16" de diámetro . En la figura anterior se muestra el circuito para falla monofásica a tierra a través de una impedancia ZF, según el modelo de parámetros concentrados por sección, con valores en Ohms. Las secciones intermedias se consideran idénticas por cada línea sólo para efectos del estudio y no abundar en información. En el punto de falla (S/E) se considera una impedancia ZF= 10 Ohms y una resistencia a tierra R o = 0,55 Ohms. Se resuelve en primer lugar, a título de referencia, el circuito completo (que también puede ser resuelto por métodos aproximados) y posteriormente se simula desconexiones del cable de guardia en la línea 1: en la sección próxima a la falla (ACG1), en una sección intermedia (ACG20) y en la sección próxima a la alimentación (ACG40).
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Figura 5.6 Repartición de corriente residual por pu estas a tierra.
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Luego se simula desconexión de la puesta a tierra de la torre próxima a la falla (DT1), de una torre intermedia (DT21) y de la torre 40 (DT40). Las magnitudes de corriente por las distintas puestas a tierra se presentan en la figura 2. La situación de referencia coincide con DT21, salvo en el sector central, en que se asimila a DT1. En este problema se observa que requiere atención la situación ACG1, por la fuerte reducción de los niveles de corriente y su influencia en la línea 2; la situación DT1 por su incremento de corriente (1,5%) en la puesta a tierra en el punto de falla; la situación ACG20 por condiciones de seguridad en puestas a tierra intermedia. Del análisis de esta información se puede extraer como conclusiones globales: i) Las situaciones que afectan la continuidad del cable de guardia, son las que provocan mayor alteración en la repartición de corriente residual. ii) Se presentan cambios importantes de fase cuando se rompe la continuidad del cable de guardia en secciones próximas a la falla. iii) La desconexión de puestas a tierra de torres produce elevaciones de potencial en la torre afectada y en sus vecinas, sin mayores modificaciones en el resto del sistema. De la literatura se ha rescatado el gráfico siguiente, que muestra la proporción de corriente que retorna por un cable de guardia de acero, en función de la resistividad del suelo y de la resistencia de las puestas a tierra según el modelo de circuito indicado.
Figura 5.7 Porcentaje de corriente de falla que retorna por un cable de guardia de acero
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REFERENCIAS [1]
Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Resistance calculation of interconnected grounding electrodes". IEEE Trans. Vol. PAS 96, Nº 1. Jan/Feb. 1977, pp. 59-65.
[2] Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Multi-step analysis of interconnected grounding electrodes". IEEE Trans. Vol. PAS-95, Nº 1, Jan/Feb. 1976, pp. 113-119. [3] Dawalibi, F.; Mukhedkar, D.: "Transferred earth potentials in Power Systems". IEEE Trans. Vol. PAS-97, Nº 1, Jan/Feb. 1978, pp. 90-101. [4] “ Distribución de corrientes de falla y potenciales transferidos en vecindades de mallas de tierra” Leonardo Silva O.; Memoria de Ingeniero Civil Electricista, Universidad de Chile, 1982
