UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA TI ERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD
Br. Jexelin C. Medina C.
Mérida, Marzo, 2009
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA TI ERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar por el título de Ingeniero Eléctricista
Br. Jexelin C. Medina C. Tutor: Prof. Ernesto Mora Asesor: Ing. Oswaldo Viloria
Mérida, Marzo, 2009
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA TI ERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar por el título de Ingeniero Eléctricista
Br. Jexelin C. Medina C. Tutor: Prof. Ernesto Mora Asesor: Ing. Oswaldo Viloria
Mérida, Marzo, 2009
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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
APROBACIÓN
ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD
Br. Jexelin C.Medina C.
Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar al título de Ingeniero Eléctricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el siguiente Jurado.
__________________________ Prof. (a). Marisol Dávila C.I.: 10.107.821 10.107.821
___________________________ Prof. Ricardo Sthepens C.I.: 15.175.313
___________________________ Prof. Ernesto Mora C.I.: 3.499.666
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DEDICATORIA
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AGRADECIMIENTOS A Dios Todopoderoso a la Santísima Virgen y al Dr. José Gregorio Hernández , por ser mis guías e iluminar siempre mis pasos. A mis padres Jaime y Mireya por ser los pilares en mi vida y siempre ser un ejemplo ha seguir. Los Amo. A mi hijo Santiago David el centro de mi vida que este logro te sirva de ejemplo, que Dios te bendiga mi niño.Te amo mi amor. A mis hermanos Ginett, Mª Andrea, Mª Andreina y José Daniel por darme siempre una lección de vida y prestarme todo su apoyo en los momentos mas difíciles. Los quiero. A Leonardo por haberme dado toda la fuerza y el apoyo durante toda mi carrera, por estar siempre conmigo en los momentos que más lo necesite. Te quiero. A mis amigos David Rojas, Maribell Fernández, Edgar Lucena, Lucen a, Yara Meléndez, Fady Abed Rabboh, Wilberth Montaña, Yebri Novoa, Nov oa, Lucila Materano, Javier García, Elizabeth Giro, Melissa Medina, Luis Reinoso., Jhalexis Sánchez, Dalila Ramírez y Alberto Bannenberg , por haber compartido conmigo a lo largo de mi carrera inolvidables vivencias, momentos de alegrías y tristezas. Gracias Amigos! A mi amigo y Profesor Francisco Viloria, quien siempre me brindo su amistad y ayuda, siendo un excelente amigo y un ejemplo profesional. Gracias Profe. A la Ilustre Universidad de Los Andes por darme la oportunidad de crecer como profesional, orgullosa de ser egresada de esta digna y prestigiosa institución. A la Escuela de Ingeniería de Ingeniería Eléctrica por haberme formado como Ingeniero en las manos de excelentes profesionales. Al Profesor Ernesto Mora quien fue un excelente tutor en el desarrollo y termino de este trabajo. Al Ingeniero Oswaldo Viloria excelente asesor y amigo, amigo, quien brindo toda su ayuda y conocimiento durante el desarrollo de este trabajo. A la Coordinación de Transmisión de la empresa C.A.D.A.F.E. y a todo los Ingenieros y a su equipo técnico, por brindarme la oportunidad de pertenecer a esta gran familia conformada por excelentes profesionales. A todos mi eterno agradecimiento…
JEXELIN MEDINA
v
Jexelin C. Medina C., Estudio y Evaluación de la malla de Puesta a Tierra existente en la Subestación Caja Seca 115/34.5/13.8 kV utilizando como herramienta el software CYMGRD. Universidad de Los Andes. Tutor: Prof. Ernesto Mora. Febrero 2009.
RESUMEN
El diseño de las mallas de puesta a tierra en las Subestaciones eléctricas son de vital importancia ya que de la eficiencia de la misma depende la seguridad de las personas que se encuentre dentro y en las adyacencias de la subestación. Un mal diseño puede generar potenciales peligrosos, los cuales representan una amenaza constante para el personal que labora en la subestación, así como también pueden llegar a causar el daño del equipo eléctrico instalado en la planta. Debido al aumento de la demanda en el sector eléctrico, se ha venido aumentando la capacidad en las subestaciones, como es el caso de la Subestación Caja Seca, en la que se realizo una aumento en su capacidad, lo que incremento el valor de la corriente de cortocircuito, trayendo consigo que la malla de puesta a tierra existente presentara deficiencia en su nivel de seguridad, ocasionando incomodidades a los operarios debido al incremento de los potenciales. Se plantea realizar un estudio y evaluación de la malla a tierra existente, para así conocer los niveles de potenciales que presenta actualmente, así como también el valor de la resistencia a tierra, se realizara usando como herramienta el software CYMGRD, el cual es un programa diseñado para el estudio y mejora de diseños de redes a tierra, el mismo facilitara los cálculos de evaluación de seguridad.
vi
Descriptores: Sistemas de puesta a tierra, Resistividad del suelo, Tensiones de paso y de contacto, Resistencia a tierra.
ÍNDICE GENERAL APROBACIÓ APROBACIÓN.............. N............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................. ............................. ........................ .......... II DEDICATOR DEDICATORIA IA ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ...................... ........ III AGRADECIM AGRADECIMIENTO IENTOS S .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ......................... ............ IV RESUMEN........................ RESUMEN...................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ...................... ........ V ÍNDICE ÍNDICE GENERAL.................. GENERAL................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... .......................... ............ VI LISTA DE GRÁFICOS GRÁFICOS ........................... ......................................... ........................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ........................... ............. X INTRODUC INTRODUCCIÓN............. CIÓN.......................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 1
EL PROBLEMA..........................................................................................................................3 PROBLEMA.......................................................................................................................... 3 1.2.1 1.2.2
Generales......................... Generales....................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ................ .. 4 Específicos.................................. Específicos.................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................... .......................... .................... ....... 4
CRITÉRIOS CRITÉRIOS PARA EL DISEÑO DISEÑO ........................... ......................................... ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ......................... ........... 5 DE REDES DE PUESTA A TIERRA EN SUBESTACIONES..........................................................................5 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7 2.4.1 2.4.2 2.4.3
Condiciones de riesgo en un sistema de conexión a tierra.................................. tierra............................................... ........................... ................ .. 7 Criterio de voltajes tolerables ......................... ....................................... ........................... ........................... ........................... ........................... ......................... ........... 11 Criterios de voltajes de toque y de contacto................................... contacto................................................ ........................... ........................... ..................... ........ 12 Tamaño de los Conductores ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 14 Aspectos Básicos Básicos para el Diseño Diseño de una Rejilla................... Rejilla................................. ............................ ............................ ............................ ................ .. 15 Selección de los conductores y conexiones.......................... conexiones....................................... ........................... ........................... ........................... ................... ..... 15 Características Características del terreno.............. terreno ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ........................... ............................ .............. 16 Modelo de Suelo en dos Capas...................................... Capas................................................... ........................... ........................... ........................... ......................... ........... 19 Evaluación de la resistencia del suelo.............................. suelo............................................ ............................ ............................ ........................... .................... ....... 20 Tratamiento del suelo para bajar la resistividad ................................ .............................................. ............................ ........................... ............... .. 22 Módulo Análisis Análisis del Suelo .......................... ........................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............... 23 Análisis de la la Malla..................................... Malla................................................... ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ .............. 24 Módulo de Gráficado............... Gráficado............................. ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ........................... .................... ....... 26
MALLA EXISTENTE EXISTENTE .......................... ........................................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ .............. 28
3.1 3.2
ANÁLISIS DEL SUELO............................................................................................... SUELO...............................................................................................28 28 ANÁLISIS DE LA MALLA.......................................................................................... MALLA..........................................................................................35 35
RECONFIGURACIÓN DE LA MALLA...........................................................................................................45
4.1 4.2 4.3
PROBLEMA ....................................................... ............................................................................................................... ............................................................45 45 PROPUESTA DE SOLUCIÓN .................................................... ..................................................................................... .................................45 45 MALLA PERIFÉRICA ................................................... ................................................................................................. ..............................................46 46 4.3.1 4.3.2
Análisis del Suelo ......................... ...................................... ........................... ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ................ .. 47 Selección del Conductor. .......................... ....................................... ........................... ............................ ............................ ........................... .......................... .................. ..... 48
4.3.3 MALLA CON ELECTRODOS .......................................................................................... ..........................................................................................62 62 4.4 COMPARACIÓN DE SEGURIDAD ENTRE AMBAS MALLAS.............................. MALLAS..............................73 73 4.5 DISEÑO DE UNA UNA NUEVA NUEVA MALLA SEGÚN CRITERIOS IEEE80-2000................75 IEEE80-2000................75 CONCLUSI CONCLUSIONES....................... ONES..................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. ....................... ......... 83 RECOMENDA RECOMENDACION CIONES ES .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................. ........................ ......... 85
vii REFERENCIAS ................................................................................................................................................... 86 ANEXOS ............................................................................................................................................................... 87
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 2.1 2 2.2 3 2.3 4 2.4 5 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9
pp
Persona expuesta a un voltaje de contacto .......................................................................... 7 Circuito Equivalente de Tensión de Contacto.....................................................................8 Persona expuesta a un voltaje de Paso ................................................................................ 9 Circuito Equivalente de Tensión de Paso............................................................................9 Factor de reducción vs. Profundidad capa superficial....................................................... 10 Entornos básicos de choque eléctrico................................................................................ 11 Efectos de humedad, sal y temperatura sobre la resistividad del Suelo ............................ 17 Disposición de los Circuitos de Medida Método Geoeléctrico WENNER........................18 Coeficiente K1 de la formula de Schwarz ......................................................................... 21
viii 2.10 Coeficiente K2 de la formula de Schwarz.........................................................................22 3.1 Reporte de la resistividad del suelo usando el programa PT&SD..................................... 32 3.2 Datos del modelo del terreno usando PT&SD................................................................... 34 3.3 Configuración de la malla ................................................................................................. 37 3.4 Diagrama de Contorno de Potencial Malla existente ........................................................40 3.5 Diagrama de contorno en 3D Malla existente ................................................................... 41 4.1 Reconfiguración de la malla con solo conductores ...........................................................54 4.2 Reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D................................................. 55 4.3 Contorno de Potencial de la reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D ....59 4.4 Reconfiguración de la Malla de puesta a tierra con electrodos insertados........................ 62 4.5 Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados.................. 70 4.6 Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados en 3D .......70 4.7 Contorno de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra............................................. 76
ix
TABLA
pp
2.1 Efectos producidos por efecto de corriente en el cuerpo humano.....................................6 3.1 Mediciones de Campo realizadas con el Megger Digital..................................................29 3.2 Reporte del análisis del suelo ............................................................................................ 30 3.3 Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas por el programa PT&SD. 32 3.4 Medidas de Resistividad.................................................................................................... 33 3.5 Datos obtenidos de la curva modelo del terreno PT&SD..................................................35 3.6 Tabla de conductores dispuestos en la malla existente......................................................36 3.9 Reporte de análisis de la malla existente...........................................................................37 3.10 Datos de la barra................................................................................................................39 3.11 Reporte de Contorno de potencial de la Malla existente...................................................41 3.12 Reporte del perfil de potencial...........................................................................................43 4.1 Parámetros del suelo y de seguridad de la malla...............................................................47 4.2 Datos del conductor...........................................................................................................49 4.3 Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada ............................................. 49 4.4 Reporte de análisis de la malla mejorada .......................................................................... 55 4.5 Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada...................................................59 4.6 Reporte de Perfil de Potencial de la malla mejorada......................................................... 61 4.7 Datos del electrodo de puesta a tierra................................................................................ 62 4.8 Reporte de análisis de la malla .......................................................................................... 63 4.9 Reporte de Contorno de Potencial ..................................................................................... 71 4.10 Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados ............................... 72 4.11 Valores de Comparación del Estudio ................................................................................ 75 4.12 Reporte de análisis de la nueva Malla ............................................................................... 77
x
LISTA DE GRÁFICOS GRÁFICO 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 4.4
pp
Curva de análisis del suelo, Programa CYMGRD ............................................................30 Curva modelo del terreno .................................................................................................. 33 Diagrama de perfil de Potencial de la Malla existente ......................................................43 Diagrama de Perfil de Potencial reconfiguración de la malla solo conductores ............... 60 Perfil de Potencial reconfiguración de la malla puesta a tierra con electrodos ................ 72 Comparación de Perfiles de Potencia de la Malla existente y de la Malla mejorada ........74 Perfil de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra...................................................77
INTRODUCCIÓN La electricidad es una forma de energía que una vez producida en las centrales de generación requiere ser transportada hasta los diversos destinos de consumo; las Subestaciones eléctricas, parte importante del sistema de generación eléctrica, cumplen con la función de transformar los niveles de tensión. Todas las subestaciones de Transmisión y Distribución deben brindar un alto grado de confiabilidad para que los dispositivos y equipos que los conformen puedan funcionar adecuadamente, logrando llevar al mínimo las fallas y así garantizar la continuidad y calidad del servicio eléctrico. Por esta y muchas razones es de vital importancia para el buen funcionamiento de las subestaciones tanto de transmisión como de distribución que estas se mantengan en un óptimo funcionamiento. La demanda del sector eléctrico a nivel nacional ha llevado a que las empresas de energía eléctrica incrementen sus capacidades de producción bien sea con la creación de nuevas subestaciones o con el incremento de unidades de transformación en las mismas, esta ultima ha sido la solución mas viable ya que la creación de nuevas subestaciones resulta muy costosa. Al aumentar la capacidad de la subestación aumenta igualmente la corriente de cortocircuito, haciendo que la malla de puesta a tierra existente vaya siendo cada vez menos confiable. Es por ello que este proyecto técnico opta por responder a una inquietud presente en una de las compañías mas importantes de producción de energía eléctrica en el país como lo es la Compañía Anónima De Administración y Fomento Eléctrico (C.A.D.A.F.E.) Región 7, la cual corresponde a la zona del Occidente del país, el problema radica en que la Subestación Caja Seca viene presentando una deficiencia en su malla de puesta a tierra, haciendo peligrosas las operaciones en la subestación. El objetivo de este trabajo de grado es tratar de resolver la problemática presente en la Subestación Caja Seca de manera rápida, segura y confiable, es por ello que se hace necesario el uso de una herramienta que ayude a agilizar el estudio y la mejora de la malla de puesta a tierra existente.
2 La Empresa, ha decidido implementar como herramienta el software CYMGRD el cual genera una forma de solución rápida y segura, ya que fue diseñado especialmente para ayudar a optimizar el diseño de nuevas redes y reforzar las existentes. Bajo un previo estudio a la malla de puesta a tierra en la Subestación se evaluará la situación actual presente en la misma y mediante el uso del software se realizará un reforzamiento a la malla eliminando los sobrevoltajes existentes haciéndola mas segura. En el Capitulo I, se hará referencia al problema existente en la malla a tierra de la subestación, sus antecedentes y los objetivos perseguidos por el proyecto técnico. En el Capitulo II, se proporcionara un marco teórico en el cual se estudiaran los conceptos y criterios básicos para el diseño de redes a tierra en las subestaciones. También se dará información básica del programa CYMGRD. El Capitulo III, se encontrara conformado por el estudio de la malla de puesta a tierra existente en la subestación Caja Seca, haciendo uso del programa CYMGRD se realizara un estudio de los potenciales existentes, así como su valor de resistencia a tierra. En el Capitulo IV, se realizará la evaluación de la malla y se desarrollará una mejora en la misma, igualmente mediante el uso del programa se hará un análisis de seguridad y se evaluaran las mejoras en cuanto a las reducciones de sus parámetros de seguridad. En este capitulo también se encontrara un estudio del diseño de una malla completamente nueva, tomando en cuenta los datos de la subestación Caja Seca, esto a manera de comparar ambos diseños.
EL PROBLEMA
En este capítulo se realizará una introducción a la problemática presente en la Subestación Caja Seca expresando los objetivos que se quieren lograr a lo largo del desarrollo del trabajo de grado y a su vez la justificación para la realización de este proyecto técnico.
1.1
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La Subestación Caja Seca, es una subestación 115/34.5/13.8 kV. Esta subestación en sus
inicios fue creada con una salida de 34.5 kV y una salida en 13.8 kV, debido al aumento en la demanda la empresa se vio en la necesidad de aumentar la capacidad en la misma, introduciendo dos transformadores de 115/13.8 kV, quedando de esta manera cuatro transformadores. Actualmente la subestación se encuentra conformada por: • Un (1) tramo de línea en 115 kV. • Un (1) tramo de transformación 115/34.5 kV • Dos (3) tramos de transformación 115/13.8 kV • Ocho (8) tramos de salida de línea en 13.8 kV. Espacio para cinco (5) futuras.
Debido a esta ampliación y al aumento de la capacidad en la subestación, el nivel de la corriente de cortocircuito en la misma sufrió un incremento significativo, llegando a presentarse deficiencia de la malla a tierra existente, generando problemas en cuanto a los niveles de los potenciales de contacto, razón por la cual los operarios venían presentando
4 quejas, debido a que las operaciones en la subestación resultaban poco seguras, y que los equipos comenzaban a presentar fallas de funcionamiento. Por esta razón se requiere del estudio y evaluación de la malla de puesta a tierra en la subestación para así poder realizar las mejoras correspondientes de manera de hacer confiable las operaciones en la subestación. Esta mejora se realizara utilizando como herramienta el programa CYMGRD, programa utilizado para el estudio y mejoras de las mallas de puesta a tierra.
1.2
OBJETIVOS
1.2.1 Generales Realizar un estudio de la resistencia de puesta a tierra de la malla existente en la subestación Caja Seca, para eliminar posibles tensiones de peligro para el personal que labora en la misma, utilizando como herramienta el programa CYMGRD.
1.2.2 Específicos •
Estudiar la situación actual de la subestación Caja Seca y evaluar la malla de puesta a
tierra existente. •
Conocer los valores de las tensiones de paso y de contacto presentes en la subestación Caja
Seca. •
Estudiar el programa y utilizarlo como herramienta para facilitar los cálculos, diseños y
mejoras de la malla de puesta a tierra. •
Reducir la resistencia de puesta a tierra de la subestación Caja Seca utilizando como
herramienta el software CYMGRD. •
Reducir los sobrevoltajes existentes en la subestación Caja Seca mediante la solución mas
adecuada.
CRITÉRIOS PARA EL DISEÑO DE REDES DE PUESTA A TIERRA EN SUBESTACIONES 2.1
PUESTA A TIERRA
El diseño de un sistema de conexión a tierra en una subestación eléctrica se debe realizar de manera óptima y confiable debido a que esto representa la seguridad de las personas y protección de los equipos en la subestación. Es muy importante tener las referencias a tierra adecuadas considerando la importancia de la continuidad del servicio pero manteniendo también total atención a los niveles máximos recomendables. Para ello se debe proporcionar una resistencia de camino de retorno de la corriente por el terreno lo mas baja posible, como también para asegurar que una persona en las inmediaciones de un sistema de conexión a tierra no se encuentre expuesta a un choque eléctrico, esto requiere del control del perfil de voltajes sobre la superficie del terreno que aparece cuando circula una corriente por el mismo, de acuerdo a la forma de estos perfiles se podría presentar una diferencia de voltaje que pondría en riesgo la vida de alguna persona. Esto depende fundamentalmente de las características del terreno en general, como su resistividad.
2.2
SITUACIONES DE RIESGO EN LA SUBESTACIÓN Antes de conocer las condiciones para que se genere una situación de riesgo en las
inmediaciones o dentro de la subestación, es importante conocer los efectos de la corriente
6 eléctrica en el cuerpo humano, ya que estos dependen de múltiples factores dentro de los cuales se pueden mencionar los siguientes: • Camino de circulación de la corriente y distribución de la misma dentro del cuerpo
humano. • Intensidad de la corriente. • Tiempo de circulación de la corriente en el cuerpo. • Tipo de onda de la corriente: impulso (rayos), corriente alterna, corriente continua. • Frecuencia de la corriente alterna sinusoidal. • Nivel de voltaje aplicado para la circulación de corriente. • Humedad de la piel y superficie de contacto con los caminos de circulación de la
corriente externos al cuerpo humano. En la tabla mostrada a continuación se podrá observar los efectos producidos de acuerdo a la intensidad de corriente y a la forma de onda. Tabla 2.1. Efectos producidos por la corriente en el cuerpo humano . Corriente en mA Corriente continua
Corriente Alterna 60 Hz 10 kHz
Efecto sobre la persona
Hombres
Mujeres
Hombres
Mujeres
Hombres
Mujeres
Sin sensación en la mano
1,0
0,6
0,4
0,3
7,0
5,0
Hormigueo ligero. Nivel de percepción
5,2
3,5
1,1
0,7
12,0
8,0
Choque no doloroso. No se pierde control muscular
9,0
6,0
1,8
1,2
17,0
11,0
Choque doloroso. Dolor sin perder el control muscular
62,0
41,0
9,0
6,0
55,0
37,0
7 Tabla 2.1. Efectos producidos por la corriente en el cuerpo humano .(Continuación) Choque doloroso. Nivel de imposibilidad de soltar un objeto energizado
76,0
51,0
16,0
10,5
75,0
50,0
Dolor. Choque severo. Contracción muscular. Dificultad para respirar
90,0
60,0
23,0
15,0
94,0
63,0
Duración0,3s
1300,0
1300,0
1000,0
1000,0
1100,0
1100,0
Duración 3s
500,0
500,0
100,0
100,0
500,0
500,0
Posible fibrilación ventricular debido a periodo corto de tiempo
Es por ello que se deben tomar las precauciones necesarias en el diseño para que al momento de presentarse el máximo gradiente de potencial este no presente peligro alguno para las personas dentro o en los alrededores del sistema de conexión a tierra.
2.2.1 Condiciones de riesgo en un sistema de conexión a tierra.
Fig.2.1. Persona expuesta a un voltaje de contacto. (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)
8
Fig.2.2. Circuito equivalente de la tensión de contacto (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)
En la Fig. 2.1 se observa a una persona tocando una estructura metálica aterrizada en el terminal H y la corriente If que se descarga a tierra por el sistema de puesta a tierra de la subestación. En la Fig. 2.2 se muestra el equivalente de Thevenin entre los pies de la persona en paralelo con el sistema y en serie con la resistencia del cuerpo R B. VTH es el voltaje entre los terminales H y F cuando la persona no se encuentra presente. I B es la corriente que circula por el cuerpo. Cuando ZTH es igual a la resistencia de dos pies en paralelo se tiene: E toque = I B ( R B + Z TH )
(2.1)
La impedancia equivalente de Thevenin Z TH se calcula haciendo uso de las siguientes fórmulas conservativas: Z TH =
R f
2
(2.2)
Donde R f es el valor de la resistencia a tierra de un pie en ohmios. El pie humano se representa como un disco metálico y el valor de resistencia a tierra de este de radio b (m) en la superficie del suelo homogéneo de resistividad (Ω-m) se establece por la ecuación de Laurent:
R f =
ρ
4b
(2.3)
9 La placa metálica que representa el pie se representa por un radio de 0.08 m, mediante ciertas aproximaciones numéricas se obtiene que la expresión para la Z TH en función de la resistividad es: Z TH = 1.5 ρ
(2.4)
Al sustituir en la ecuación 2.1 se obtiene: E toque = I B ( RB + 1.5ρ )
(2.5)
La otra condición existente es el voltaje de paso, situación que se ilustra en las Figs. 2.3 y 2.4.
Fig.2.3. Persona expuesta a un voltaje de paso. (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)
Fig.2.4. Circuito equivalente de la tensión de paso (ElectricPower Substatios Engineering. MCDONALD,Jhon D, 2007)
10 Para el cálculo de la expresión del voltaje de paso se procede de la misma forma que para la del voltaje de contacto, con la variante de que en para el voltaje de paso Z TH = 2 R f que se debe a la impedancia de dos pies en serie, para este caso se tiene en la ecuación (2.6): Z TH = 2 R f = 6 ρ
(2.6)
E paso = I B ( RB + 6 ρ )
(2.7)
Con el cual se obtiene que:
Se debe mencionar que las anteriores ecuaciones fueron descritas para una resistividad de suelo uniforme (ecuación 2.3), sin embargo, en la superficie de las subestaciones se esparce una capa de material de alta resistividad con un espesor que varía de 0.08m a 0.15m, esto se realiza para aumentar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de la persona en la subestación. Por ello se introduce el factor C s de reducción de potencia en presencia de una capa gruesa de material de alta resistividad. Estos valores de C s son precalculados para un disco de un radio de b = 0.08m y se dan en forma gráfica en la Fig.2.5.
Espesor del material superficial h s (metros)
Fig.2.5. Cs versus hs (IEEE80-2000)
11 La ecuación (2.8) da el valor de Cs, estos valores están dentro del 5% de los valores que se obtienen con el método analítico (Fig. 2.5). ⎛
0.09⎜⎜1 − C s = 1 −
ρ ⎞
⎟⎟
ρ s ⎠
⎝ 2h s + 0.09
(2.8)
Donde: C s Factor de reducción de la capacidad normal de la capa superficial ρ s
Resistividad del material superficial Ω-m
ρ
Resistividad de tierra bajo el material superficial Ω-m
h s
Grosor del material de superficie en metros (m)
2.2.2 Criterio de voltajes tolerables En la Figura 2.6, se puede observar como al momento de ocurrir una falla que inyecte una corriente al Sistema de Conexión a tierra que retorne por medio del terreno hacia la fuente, el Sistema de conexión a tierra eleva su potencial de Ground Potencial Rise (GPR, máximo potencial a tierra).
Fig.2.6. Entornos básicos de choque eléctrico (IEEE80-2000)
12 Se puede observar que sobre el perfil del terreno aparece un perfil de voltajes que depende de la forma en que la corriente se distribuye en el terreno para retornar hacia la fuente, esto depende de la resistividad del terreno, heterogeneidad y de la geometría del Sistema de conexión a tierra. Las personas P1 y P2 indican varias situaciones de riesgo y las diferencias de potencial a que pueden estar sometidas en el momento de la falla. P1 soporta una diferencial de potencial V p aplicada entre los pies, esto se denomina voltaje de paso. P2 esta expuesta a una diferencia de potencial Vm el cual se ha denominado en forma general voltaje de malla. P 3 esta expuesta a una diferencia de potencial Vc que se le denomino voltaje de contacto. P 4 es la persona que se encuentra en una zona donde el perfil del voltaje sobre el terreno tiene un valor pequeño, este potencial al que esta expuesto se denomina Voltaje Transferido VT.
2.2.3 Criterios de voltajes de toque y de contacto Para mantener la seguridad de las personas al momento de una descarga eléctrica es importante que el manejo del voltaje máximo de cualquier circuito accidental no exceda los límites que se indican a continuación, estos son especificados para pesos corporales de 50 y 70 kg.
E paso50 kg = (1000 + 6C S ρ S )
0.116
E paso70 kg = (1000 + 6C S ρ S )
t S
0.157 t S
(2.9)
(2.10)
Similarmente para el voltaje de contacto:
E paso50 kg = (1000 + 1.5C S ρ S )
0.116 t S
(2.11)
13 E paso70 kg = (1000 + 1.5C S ρ S )
0.157 t S
(2.12)
Donde: E paso50 kg Voltaje de paso para un peso corporal de 50 kg E paso70 kg Voltaje de paso para un peso corporal de 70 kg E toque50 kg Voltaje de contacto para un peso corporal de 50 kg E toque70 kg Voltaje de contacto para un peso corporal de 70 kg C s
Factor de reducción de la capacidad normal de la capa superficial
ρ s
Resistividad del material superficial Ω-m
t S
Duración del choque eléctrico en segundos
2.3
PRINCIPALES CONSIDERACIONES DE DISEÑO Un sistema de puesta a tierra debe instalarse de manera que se limite el efecto del
gradiente de potencial a tierra para niveles de voltaje y corriente que no pondrán en peligro la seguridad de las personas o equipos bajo condiciones normales y de falla. El sistema debe garantizar el servicio continuo. Es recomendable crear un diseño que combine varillas conductoras verticales y horizontales por las siguientes razones: Un solo electrodo resulta ineficiente en dar un sistema de aterrizaje seguro. Es por ello que es recomendable la interconexión de varios electrodos, ya sean verticales u horizontales o la combinación de ambos. Cuando la interconexión se realiza de solo conductores verticales esto genera un sistema de rejillas de electrodos a tierra. Si la corriente con trayectoria hacia la tierra es alta, la instalacion de una rejilla generalmente no proporciona un valor bajo de resistencia para asegurar que el incremento de potencial a tierra no generará gradientes peligrosos en la superficie, por lo tanto el peligro puede eliminarse solamente por el control de los potenciales locales.
14 Los conductores horizontales que formen una rejilla son más efectivos al momento de reducir los potenciales de paso y de contacto en la superficie de tierra, siempre y cuando la configuración de eléctrodos se encuentre cerca de la superficie (0.3m a 0.5m). Al insertarse varillas a tierra a grandes profundidades e interconectándolas con la rejilla horizontal producen en algunos casos una reducción significativa del valor de la resistencia a tierra, esto debido a este sistema combinado. Al penetrar las varillas en el suelo de baja resistividad estas disipan las corrientes de falla, esto mientras el suelo sea estratificado en dos capas y la capa inferior posea una resistividad mucho más baja que la de la capa superior.
2.3.1 Tamaño de los Conductores
Mediante la ecuación 2.13, la cual es derivación de Sverak, se puede evaluar la corriente que es capaz de soportar cualquier conductor para el cual la constante de material es conocida o se puede determinar. En la Tabla 2.2 se encuentran registradas las constantes de los materiales mas comúnmente usados. I = Amm 2
⎛ TCAPx10 − 4 ⎞ ⎛ K O + T m ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ α ρ t K T + a ⎠ ⎝ C r r ⎠ ⎝ O
Donde: I
es el valor rms de la corriente en kiloamperios
Amm 2 es la sección transversal del conductor en mm2 T m
es la temperatura máxima permisible en ºC
T a
es la temperatura ambiente en ºC
r
es el coeficiente térmico de resistividad 1/ºC
r
es la resistividad del conductor a tierra -cm
K o
1/ o
(2.13)
15 TCAP es la capacidad térmica por unidad de volumen (Tabla 3A)
2.3.2 Aspectos Básicos para el Diseño de una Rejilla Lo mas importante al momento de diseñar una rejilla para un sistema de puesta a tierra, es conocer el propósito de la subestación, los pasos para hacer un buen diseño de la rejilla son los siguientes: En primer lugar un circuito conductor contínuo debe rodear el perímetro de la subestación abarcando la mayor cantidad de área como sea posible, recordando que la rejilla se debe extender fuera de la cerca de la subestación. Esta disposición ayuda a evitar alta concentración de corriente. Encerrando más área ayuda a reducir el valor de la resistencia a tierra de la malla. El típico sistema de rejilla consta de conductores de calibre 4/0 AWG enterradas a una profundidad de 0.3 - 0.5 m debajo del nivel y separadas de 3 -7 m, en una distribución uniforme en patrón de rejilla. En situaciones donde no se puede de ninguna manera extender de manera significativa el área de la malla y donde la resistividad del suelo sea alta, se deben tomar ciertos criterios como soluciones para reducir los valores de la resistencia a tierra. Entre estos criterios se pueden destacar el insertar varillas de tierra a grandes profundidades, tratamiento químico del suelo entre otros.
2.3.3 Selección de los conductores y conexiones Cada elemento del sistema de aterrizaje, como los conductores de la rejilla, terminales de conexión y todos los electrodos primarios, deben poseer suficiente conductividad; lo que contribuirá a la diferencia de los voltajes locales, deben igualmente resistir la fusión y el deterioro mecánico bajo las condiciones mas adversas de magnitud y duración de una falla. También debe ser mecánicamente confiable y con alto grado de resistencia y ser capaz de mantener sus funciones incluso cuando este expuesto a la corrosión.
16 Los conductores mas comúnmente usados en los sistemas de puesta a tierra son de cable de cobre de un calibre superior del 4/0 AWG, este calibre se escoge por razones mecánicas, el cobre es el mas utilizado debido a su elevada conductividad. Los electrodos o varillas de puesta a tierra pueden ser fabricados con tubos o varillas de hierro galvanizado, el cual puede usarse en terrenos cuya constitución química no ataque dicho materias, también suelen fabricarse varillas de copperweld, las cuales son las mas utilizadas, estas se usan en terrenos cuyos componentes son mas corrosivos. Estas barras se encuentran constituidas por una varilla de hierro a la cual se le adhiere una lámina de cobre, combinando de esta manera las ventajas de alta conductividad del cobre con la alta resistencia mecánica del hierro. Los conectores son utilizados para unir a la red de tierras los electrodos profundos, las estructuras, los neutros de los transformadores, etc. Los principales son: a. Conectores atornillados; los cuales se fabrican con bronce con alto contenido de cobre, formando dos piezas que se unen por medio de tornillos cuyo material esta formado por bronces al silicio que les da alta resistencia mecánica a la corrosión. (José Raull Martín, 1987). b. Conectores a presión; son mas económicos que los atornillados y dan mayor garantía de buen contacto. c. Conectores soldados; (cadweld) son los mas económicos y seguros por lo que son los mas utilizados.
2.3.4 Características del terreno Al momento de realizar un análisis del suelo que sirva para conocer las características del mismo. Se debe conocer que la mayoría de los suelos se comportan como un conductor de resistencia r y como un dieléctrico. La resistividad del suelo no se afecta por el gradiente de voltaje a menos que este exceda su valor crítico, al exceder este valor se desarrollan arcos eléctricos en la superficie del electrodo y estos avanzaran hacia el interior del planeta tierra.
17 Caso contrario ocurre con el efecto que tiene la magnitud de la corriente sobre la resistividad del suelo en las cercanías del electrodo. Las características térmicas y el contenido de humedad del suelo determinaran si una corriente de magnitud y duración dada causaran una aridez significativa y así incrementar la resistividad efectiva del suelo. La condición eléctrica en los suelos es esencialmente electrolítica, cuando el contenido de humedad en los suelos sea mayor al 15% del peso del suelo aumenta abruptamente a condición electrolítica. La cantidad de humedad depende del tamaño del grano, la solidez y variabilidad del mismo. En la Fig. 2.6 se muestra como la resistividad varia con respecto a la humedad. Cuando el contenido de humedad se reduce por debajo del 22% por peso, la resistividad crece bruscamente, en este caso se impone el uso de varillas verticales de suficiente longitud para llegar a las capas de mayor humedad.
Fig. 2.7. Efectos de humedad, sal y temperatura sobre la resistividad del suelo. (IEEE80-2000)
La grava o capa superficial se utiliza con una profundidad que va de 0.08-0.15 m, para retardar la evaporación de la humedad y así lograr que la capa superior del suelo pierda la humedad de manera significativa. Al colocar un material de alta resistividad a la capa superficial es muy valioso para reducir las descargas de corriente. El rango de los valores de
18 resistividad para la capa de material superficial depende de muchos factores, los cuales se citan en la Tabla 1A, donde se pueden encontrar los valores característicos de la resistividad para los diferentes materiales. Para conocer la estructura del suelo se debe conocer la resistividad del suelo en el lugar donde se piensa construir la subestación, para determinar la composición general del suelo y el grado de homogeneidad. Normalmente se encuentran suelos estratificados en varias capas, cada una con diferente resistividad. Estos valores de resistividad se obtienen realizando las respectivas mediciones y por los métodos adecuados. Los métodos mas usados para la medición de la resistividad del suelo son el de Schulemberger y el Wenner.
Método Wenner : Este método consiste en cuatro electrodos equidistantes entre sí, a una distancia “a” entre ellos, donde se inyecta una corriente I en los electrodos externos y se mide la diferencia de potencial entre los electrodos internos, para ello se utiliza un Megger de tierras o telurómetro, este aparato inyecta una corriente diferente de 60 Hz para evitar que se realicen lecturas erróneas debidas a ruidos eléctricos. En la Fig. 2.7 se observa esquemáticamente la disposición de los electrodos.
Fig. 2.8. Disposición de los Circuitos de Medida Método Geoeléctrico de WENNER (www.procobreperu.org/pub_red_elec01_2.htm)
La resistividad aparente viene dada por la siguiente expresión [ecuación (2.13)]: ρ
=
4π AR ⎡ ⎛ ⎤ ⎞ 2 A 2 A ⎟− ⎢1 + ⎜ ⎥ 2 2 0.5 ⎟ 2 2 0.5 ⎜ ⎢⎣ ⎝ ( A + 4 B ) ⎠ (4 A + 4 B ) ⎥⎦
(2.13)
19 Donde: ρ
es el valor de la resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m
A
distancia entre electrodos en metros
B
profundidad de enterrado de los electrodos en metros
R
lectura del telurómetro en ohm El método Schulemberger es una versión modificada del método Wenner; este método nos
da una mejor sensibilidad para pruebas a distancias mayores. La interpretación de la resistividad obtenida en el campo es quizás la parte más difícil en el programa de medición, ya que el objetivo básico es obtener un modelo de suelo lo más parecido al modelo del suelo existente. Los modelos de suelo más comunes son el modelo del suelo uniforme y el estratificado en dos capas. El modelo de suelo uniforme es muy poco probable de conseguir, mientras que el modelo de dos capas nos lleva a una representación más exacta. Se hará un enfoque en el modelo de suelo estratificado en dos capas.
2.3.5 Modelo de Suelo en dos Capas Como se mencionó en el inciso anterior, para este tipo de modelo se tiene una capa superior de profundidad finita y una inferior de profundidad infinita. El cambio abrupto de la resistividad en los límites de cada capa del suelo se puede describir mediante un factor de reflexión K, que se define mediante la ecuación (2.14). K =
− ρ 1 ρ 1 + ρ 2 ρ 2
Donde: ρ 1
es la resistividad de la capa superior en ( Ω − m )
ρ 2
es la resistividad de la capa superior en ( Ω − m )
(2.14)
20 En la IEEE Std 81-1983 provee los métodos para el cálculo de las resistividades equivalentes de la capa superior e inferior del suelo así como para el cálculo del espesor de la capa superior.
2.3.6 Evaluación de la resistencia del suelo Un buen sistema de conexión a tierra por lo general provee un valor bajo de resistencia de tierra para así minimizar el incremento de potenciales a tierra. En las subestaciones de transmisión y otras más grandes la resistencia de tierra es comúnmente de 1 o menos, mientras para subestaciones de distribución se permite una resistencia a tierra que varíe de 1 a 5. Para el cálculo de la resistencia total a tierra existen ciertas ecuaciones, las cuales fueron desarrolladas por Schwarz. Schwarz utilizo la siguiente ecuación, la cual introdujo Sunde y Rüdenberg para combinar la resistencia de la rejilla, varillas y la resistencia mutua a tierra, y de esta forma calcular la resistencia total del sistema, Rg [ecuación 2.15]
R g =
R1 R2 + Rm
2
R1 + R2 − 2 Rm
(2.15)
Donde: R1
es el valor de la resistencia a tierra de los conductores de rejilla en
R2
es el valor de la resistencia a tierra de todas las varillas a tierra en
Rm
es el valor mutuo de la resistencia a tierra entre el grupo de los conductores de rejilla y el grupo de varillas de tierra en . A continuación se presentan las ecuaciones que definen el valor de la resistencia a tierra:
R1 =
⎡ ⎛ 2 LC ⎞ K 1 LC ⎤ ln + − K ⎜ ⎟ 2 ⎢ ⎥ π LC ⎣ ⎝ a ⎠ A ⎦ ρ
(2.16)
21 R2 =
2⎤ 2 K 1 Lr ⎡ ⎛ 4 L R ⎞ ( ) ln 1 n 1 − + − ⎜ ⎟ R ⎥ 2π L R n R ⎢⎣ ⎝ b ⎠ A ⎦
(2.17)
Rm =
⎡ ⎛ 2 LC ⎞ K 1 LC ⎤ ⎟⎟ + − K 2 + 1⎥ ⎢ln⎜⎜ π LC ⎣ ⎝ Lr ⎠ A ⎦
(2.18)
ρ
ρ
Donde: ρ
resistividad del suelo en Ω − m
LC
longitud total en metros de todos los conductores de la rejilla en metros
a
es 2h ⋅ dc , donde dc es el diámetro del conductor
A
es el área cubierta por los conductores en m2
K 1 , K 2 coeficientes según Fig. 2.9 y 2.10 L R
longitud de cada varilla en metros
n R
numero de varillas colocadas en el área A En las Figs. 2.9 y 2.10 se pueden observar las graficas de los coeficientes K 1 y K 2 de las
formulas de Schwarz. Los coeficientes de Schwarz son utilizados para el calculo de los diferentes valores de resistencias, tanto de las varillas como de los conductores, asi como tambien el valor de la resistencia a tierra mutua entre los conductores y las varillas.
Fig. 2.9. Coeficiente K 1 de la formula de Schwarz. (IEEE80-2000)
22
Fig.2.10. Coeficiente K 2 de la formula de Schwarz. (IEEE80-2000)
2.3.7 Tratamiento del suelo para bajar la resistividad En algunos terrenos con alta resistividad, las prácticas de los métodos mas comunes para la reducción de esta, pueden resultar prácticamente imposibles. Para lograr una reducción de la resistencia a tierra es incrementar el diámetro de los electrodos, al modificar el suelo alrededor de los electrodos. Este fenómeno se utiliza como ventaja de la siguiente manera: El uso de Cloruro de Sodio, magnesio y sulfato de cobre o cloruro de calcio incrementa la conductividad del suelo inmediatamente alrededor del eléctrodo, estas sales se dispersan en una zanja alrededor del electrodo de tierra formando un circulo y tapada con tierra, sin tener contacto directo con el electrodo. Una de las desventajas de este método es la degradación que existe durante las lluvias, que drenan la sal y la de la corrosión de la varilla. El uso de bentonita una arcilla natural que contiene el mineral montmorilionita. Este método consiste en el uso de la bentonita en grietas naturales formadas alrededor del electrodo de tierra o formando una capa alrededor de este. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que aun cuando el valor de la resistencia a tierra se encuentre por debajo de los valores requeridos, puede darse el caso que no cumpla con los límites de voltajes permitidos para la seguridad del personal y los equipos.
23 En resumen, un bajo valor de resistencia a tierra no garantiza la seguridad del personal
en el terreno sobre el sistema de conexión a tierra y en sus inmediaciones .
2.4
CYMGRD, REDES DE TIERRAS PARA SUBESTACIONES Este software es una aplicación de CYME Internacional T&D y se encuentra diseñado
especialmente para el análisis y diseño de redes de tierra en subestaciones, el cual ayuda a optimizar el diseño de nuevas redes y a reforzar las ya existentes. El programa sigue las premisas y criterios usados en las normas IEEE80-2000, 81-1983 y 837-2002. El programa realiza el estudio de cualquier configuración de redes de tierras, sean mallas simétricas o asimétricas de cualquier forma, las varillas de puesta a tierra se pueden colocar arbitrariamente, realiza el cálculo de la elevación de potencial del suelo (GPR), así como también la de la resistencia del sistema de tierra (Rg). Realiza los análisis de potenciales de paso y de superficie dentro y fuera del perímetro de la malla e igualmente evalúa la tensión de paso, de contacto y de superficie. A continuación se mostrara una breve descripción de cada uno de los módulos presentes en el programa.
2.4.1 Módulo Análisis del Suelo El programa CYMGRD en cuanto a las medidas de resistividad del terreno y modelos de terreno le ofrece la opción entre el modelo de terreno “Uniforme” o “Estratificado en dos capas”, el programa no admite aún modelos estratificados en múltiples capas. Entre los varios métodos de medición del terreno, CYMGRD sólo soporta el método Wenner, este se mencionó en el inciso 2.3.4. Para el cálculo del modelo óptimo y para minimizar el error medio cuadrático el programa usa técnicas de gradiente reducido. El término “óptimo” significa que el modelo de terreno que se deducirá será el que mejor encaje con las mediciones disponibles.
∗
Briceño, Hildemaro. Manual para la medición de la resistencia a tierra de sistemas de conexión a tierra.
24 Una vez que se ha determinado el modelo de terreno, los electrodos subsecuentes, de cualquier tipo y las estructuras de puesta a tierra analizadas por el programa adoptan el mismo modelo de terreno. Debe registrarse por lo menos una medición del terreno uniforme y por lo menos tres mediciones para un terreno estratificado en dos capas. En los modelos estratificados en dos capas, el programa calcula la resistividad de las capas inferior y superior de terreno y también el espesor. La segunda capa, es decir la capa inferior se considera infinitamente profunda y el programa calculará simplemente su resistividad. En cuanto al análisis de seguridad esta opción permite al usuario estimar la máxima tensión de paso y de contacto admisible, bajo condiciones específicas de superficie y de exposición. Los cálculos de evaluación de la seguridad respetan las prácticas normalizadas norteamericanas descritas en el "IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding", edición 2000. Esta norma requiere los datos siguientes: Peso corporal de la víctima de choque eléctrico (por omisión es 70 kg., con una alternativa de 50 kg.). El espesor y la resistividad del material colocada sobre la superficie de la tierra de cobertura natural de la subestación. La resistividad de terreno de las capas superior e inferior y el espesor de la capa superior de la tierra de cobertura natural. Duración del choque eléctrico.
2.4.2 Análisis de la Malla El módulo “Análisis de malla” permite calcular la resistencia del sistema de puesta a tierra, la elevación de potencial de tierra (GPR) y los gradientes de potencial en la superficie del terreno. Estos resultados son necesarios para evaluar la conveniencia del diseño de la malla y la seguridad del personal que trabaja en el área. Generalmente una subestación consta de dos o más barras, se debe identificar cada una de las barras y los parámetros correspondientes a cada una. Para determinar el tamaño mínimo requerido del electrodo, se necesita conocer del factor de corrección (Factor de decremento), los parámetros constantes del material del electrodo y el
25 valor de la temperatura ambiental. Luego de haber introducido los datos requeridos el programa presenta un reporte donde se muestran los datos introducidos en el dimensionamiento del electrodo. Si se usa un modelo estratificado en dos capas, los conductores de la malla deben estar situados en la capa superior. Las varillas de tierra pueden atravesar el límite de las dos capas.
Introducción de los datos de la malla de puesta a tierra. CYMGRD clasifica los componentes de la malla en cinco (5) categorías: los conductores de malla dispuestos simétricamente, los conductores de malla dispuestos asimétricamente, las varillas de puesta a tierra dispuestas simétricamente, las varillas de puesta a tierra dispuestas asimétricamente y los conductores de arco. Los conductores de malla dispuestos simétricamente son de forma rectangular con un número de conductores instalados a lo largo del eje largo y corto, creando así una malla. El programa supone que los conductores de malla dispuestos simétricamente están enterrados horizontalmente y orientados a lo largo de dos ejes perpendiculares (los ejes X e Y en la ventana gráfica). Se supone que la distancia entre los conductores es la misma a lo largo de cada eje pero la distancia del eje Y puede variar de la del eje X. El conductor dispuesto asimétricamente es un conductor recto situado entre dos puntos definidos por las coordenadas (X1,Y1,Z1) y (X2,Y2,Z2).
Los conductores asimétricos
inclinados pueden ser representados con el modelo (coordenada Z). No es el caso de las disposiciones simétricas que se introducen con la misma profundidad de entierro (X, Y). Cada conductor puede tener un diámetro diferente, lo que no es el caso en disposiciones simétricas que comparten un diámetro común.
Varillas de puesta a tierra dispuestas simétricamente. Al igual que los conductores el programa ofrece la opción de insertar varillas, ya sean de manera simétrica o asimétrica. Una conformación simétrica de varillas de puesta a tierra cubre un área rectangular donde las varillas están colocadas en filas paralelas al eje X y todas las varillas en la fila tienen la
26 misma distancia. Todas las varillas definidas en la misma formación tienen la misma profundidad de entierro, longitud y diámetro.
Varillas de puesta a tierra dispuestas asimétricamente. Este tipo de configuración es una simple fila de varillas de igual distancia. La posición de la primera varilla es determinada por las coordenadas (X1,Y1,Z1) y por la posición de la última varilla de la fila, por las coordenadas (X2,Y2,Z2). El extremo superior de cada varilla se encuentra en la línea recta entre estos dos puntos. Todas las varillas definidas en la misma conformación tienen la misma distancia y diámetro.
Si se especifica una sola varilla, se registra entonces solo las
coordenadas del punto inicial (X1,Y1, Z1). Sobre la modelación de las estructuras de puesta a tierra El electrodo “Primario” es la estructura de puesta a tierra que absorbe la corriente de falla. La hipótesis analítica de base que hace CYMGRD, basándose en las normas internacionales, es que el sistema entero de puesta a tierra que absorbe la corriente de falla y la difunde hacia el suelo se eleva a un solo potencial. Esta es la elevación de potencial de tierra del electrodo primario, es decir el GPR calculado. Por lo tanto, la caída de tensión a lo largo de los electrodos de puesta a tierra no se modela. Además, se supone que las estructuras de puesta a tierra poseen solo una resistencia (el programa no modela ningún componente reactivo en las mallas y estructuras de puesta a tierra).
2.4.3 Módulo de Gráficado El módulo de graficado sirve para calcular y visualizar los resultados del análisis de potencial de superficie. Este módulo permite evaluar los puntos de peligro en distintos puntos de la superficie y/o áreas de la subestación. Se pueden generar representaciones en 2-D y 3-D ilustrando los contornos equipotenciales de contacto y/o de superficie. Estos pueden tener un código de color. Los diagramas de potencial de paso y de contacto pueden generarse en direcciones lineares especificando los puntos inicial y final y el tamaño de paso, pueden generarse estos estudios en áreas especificas de interés.
27 Cada vez que se genera un gráfico de contorno, el programa produce el reporte tabular correspondiente. Este reporte contiene, entre otros, el punto de máximo potencial encontrado dentro del área seleccionada. Este punto es interesante ya que representa para los contornos de tensión de contacto, el gradiente más escarpado encontrado en el análisis. Los diagramas de perfil son útiles cuando se desea que el análisis abarque solo un eje para evaluar los potenciales de contacto y de superficie y no toda el área de la malla o un simple punto de coordenada. Otra utilidad importante para generar estos diagramas es la evaluación de los potenciales de paso. El programa CYMGRD presenta una solución rápida y confiable, ya que con el uso del mismo se estará ahorrando una gran cantidad de cálculos.
MALLA EXISTENTE El diseño da la malla de la Subestación Caja Seca se realizó en el año 1978 una fotografía de su plano original (Figura 1A), muestra la configuración de la malla existente, este diseño se realizó tomando en cuentas las necesidades y la capacidad de la la subestación para el momento del diseño. Tomando el plano original se procedió a digitalizarlo llevando el diseño al Programa CYMGRD, tomando en cuenta la ampliación realizada en la capacidad de la subestación, es decir se utilizó para el análisis la corriente de cortocircuito presente en la subestación y de esta manera poder evaluar la situación actual en la que se encuentra y observar mediante la ayuda del programa los actuales niveles de tensiones de paso y de contacto, como también estudiar el valor de la resistencia de la malla a tierra presente en la misma.
3.1
ANÁLISIS DEL SUELO Lo primero a realizar es el estudio de la resistividad del suelo, para ello se realizaron en el
terreno cercano a la subestación las respectivas mediciones utilizando el Megger digital o telurómetro, se efectuó de esta manera debido a que si se realizaba dentro de la misma, esto iba a generar potenciales de superficie, lo cual iba a arrojar errores en la medición. En el programa en su módulo de análisis del suelo, se introducen las respectivas mediciones y este efectúa el estudio de la resistividad del suelo en base a las mediciones de campo e introduciendo los parámetros de seguridad, como el peso corporal, el tiempo de exposición a la corriente, entre otros, con esto se obtendrá el modelo del suelo.
29 Los valores obtenidos mediante el método Wenner se muestra en la Tabla 3.1, donde se puede observar el valor de resistencia medida y el valor de la resistividad calculada. Estas mediciones fueron introducidas al programa, el cual mostró el reporte del análisis del suelo y la curva característica (Grafico 3.1). El programa tiene la opcion de la introducir los datos de la resistencia medida por el Megger o la de la resistividad calculada, sin embargo, al introducir cualquiera de las dos la otra se obtiene por defecto. Las mediciones realizadas arrojan el valor de la resistencia medida, para obtener la resistividad, se utiliza la ecuación (2.19).
ρ
= 2 ⋅ π ⋅ a ⋅ R
( Ω − m)
(2.19)
Tabla 3.1. Mediciones de Campo realizadas realizadas con el Megger Digital de la Resistividad Resistividad del Suelo Distancia entre Sondas (m)
Resistencia ()
Resistividad (-m)
1
180.3000013
1132.8583
2
72.40000024
909.80522
3
42.40000014
799.22116
4
22.59999992
567.99994
5
15.09999992
474.38048
6
10.60000003
399.61058
7
7.699999948
338.66368
8
5.500000024
276.46015
9
4.19999999
237.5044
10
3.200000057
201.06193
A continuación se muestra el Gráfico 3.1, en el cual se muestra la curva modelo del terreno mostrando cada punto con su respectivo valor.
30
Gráfico 3.1. Curva de análisis del suelo, Programa CYMGRD
En esta curva se puede observar las distancias entre los electrodos y los respectivos valores de la resistividad en ese punto, como se menciono anteriormente en la descripción del programa las mediciones que se desvían de los errores medios cuadráticos se denota con una equis (x), estas mediciones se pueden tomar o bien pueden descartarse, sin embargo para este estudio se tomaran en cuenta todas las mediciones ya que el valor del error medio cuadrático se encuentra por debajo del 10%, lo cual es aceptable para el estudio. En el reporte del análisis del suelo se pueden observar los resultados de la simulación, las resistividades medidas y calculadas del espaciamiento de los electrodos figuran en la lista con los errores asociados. Se muestra en la Tabla 3.2 el reporte del análisis del suelo. Tabla 3.2. Reporte del análisis del suelo Reporte del análisis de suelo Nombre de la subestación Proyecto Estudio Título
Thursday, February 05, 2009, 10:21:18 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE S/E Caja Seca Parámetros Análisis del Suelo
31 Tabla 3.2. Reporte del análisis del suelo (Continuación) Reporte del análisis de suelo Modelo de suelo Modelo securitario Peso corporal Espesor de la capa superficial Resistividad de la capa superficial Duración del choque eléctrico
Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Factor Cs de reducción Tensión máxima de contacto Tensión máxima de paso Error RMS
Distancia sondas (metros) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Thursday, February 05, 2009, 10:21:18 Estratificado en 2 capas IEEE Std. 80-2000 50 kg 0.2 metros 3000 ohm-m 0.5 secs Resultados de salida 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m 0.882034 815.18 voltios 2768.59 voltios 5.13 % Valores puestos en tabla
Resistividad medida (ohm-m) 1132.8583 909.8052200001 799.22116 567.99994 474.38048 399.6105799999 338.66368 276.46015 237.5044 201.06193
Resistividad calculada (ohm-m) 1051.67 945.7 782.37 619.09 485.1 385.69 315.64 267.56 235.07 213.11
Error (%) -7.17 3.95 -2.11 8.99 2.26 -3.48 -6.8 -3.22 -1.02 5.99
En este reporte se muestra el valor en cada punto y los respectivos errores medios cuadráticos, los resultado en rojo muestras los posibles puntos dudosos que se observan en la curva del modelo de la resistividad del suelo. En los resultados de salida se observa los datos correspondientes al modelo del suelo en estudio, como el espesor de la capa superior y su resistividad, al igual que el de la capa inferior. Igualmente se observan los valores máximos admisibles de las tensiones de paso y de contacto. En los parámetros del suelo se tomó en cuenta que actualmente la subestación cuenta
32 con una capa de piedra picada de 0.2 m de espesor, un peso corporal de 50 kg y una duracion del choque electrico de 0.5 seg. A modo de comparación se realizó el estudio de la resistividad del suelo con el programa pt&sd, algoritmo realizado por el Ingeniero Hildemaro Briceño, este programa fue diseñado para el estudio de las caracteristicas del suelo. Por lo que se realizara el analisis para el estudio en cuestion. La Fig 3.1 muestra los valores de resistencia y de resistividad para el estudio en cuestion. De manera mas clara se observan estos valores en la Tabla 3.4.
Fig. 3.1. Reporte de la resistividad del suelo usando el programa PT&SD
Tabla 3.3. Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas por el programa PT&SD. A (m)
Resistencia ()
Resistividad (-m)
1
180.3
1132.858
2
72.4
909.8052
3
42.4
799.2211
4
22.6
567.9999
33 Tabla 3.3. Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas por el programa PT&SD.(Continuación) A (m)
Resistencia ()
Resistividad (-m)
6
10.6
399.6106
7
7.699999
338.6637
8
5.5
276.4601
9
4.2
237.5044
10
3.2
201.0619
En el Gráfico 3.2 se muestra la Curva Modelo del terreno y seguidamente se muestra la tabla de valores correspondientes a esta curva (Tabla 3.4).
Curva Modelo del terreno 1,200.00
1,000.00
) m m h o ( d a d i v i t s i s e r e d s e r o l a V
800.00
Resistividad de Campo (ohm-m) Resistividad Modelo (ohm-m)
600.00
400.00
200.00
0.00 0
2
4
6
8
10
12
Distancia entre sondas (m)
Gráfico 3.2. Curva modelo del terreno Tabla 3.4. Medidas de Resistividad.
Valor de a (m)
Resistividad de Campo (-m)
Resistividad de Modelo (-m)
1
1,132.86
1051.67
34 Tabla 3.4. Medidas de Resistividad (Continuación) 2
909.81
945.7
3
799.22
782.37
4
568.00
619.09
5
474.38
485.1
6
399.61
385.69
7
338.66
315.64
8
276.46
267.56
9
237.50
235.07
10
201.06
213.11
Los valores de resistividad se encuentran en los puntos de inflexión de la curva del modelo de la resistividad del suelo, al introducir dichos valores en el programa este arrojo los resultados mostrados en la Fig.3.2.
Fig. 3.2. Datos del modelo del terreno usando PT&SD.
35 Donde se observa; Tabla 3.5. Datos obtenidos de la curva modelo del terreno PT&SD Resistividad (-m)
Capa superior: 1094.832 Capa Inferior: 206.2509
Grosor (m) Error relativo R.M.S Numero de iteraciones
2.41 8.827E-02 21
Donde se puede observar que estos resultados se encuentran muy cercanos a los obtenidos mediante el uso del programa CYMGRD.
3.2
ANÁLISIS DE LA MALLA Luego de realizar el estudio del análisis del suelo, se pasa al modulo de análisis de la
malla. Para poder conocer como realiza el estudio el programa CYMGRD se debe señalar que el programa puede analizar sistemas de puesta a tierra en configuraciones simétricas y asimétricas. Un sistema de puesta a tierra consta de electrodos que el programa divide en elementos para fines de cálculo. Si se usa un modelo estratificado en dos capas, los conductores de la malla deben estar situados en la capa superior. Las varillas de tierra pueden atravesar el límite de las dos capas. La geometría de la subestación y el modelo de terreno tal como fueron definidos en el “Análisis de terreno” son factores importantes para el cálculo de la resistencia de la subestación. Para calcular la elevación de potencial de tierra también se necesita conocer la corriente inyectada. Debido a que el estudio de la malla de puesta a tierra de la subestación Caja Seca parte de una malla existente se debe realizar la digitalización del plano existente, el proceso se realizó introduciendo directamente los conductores con sus respectivas coordenadas en el programa a
36 manera de armar la malla. Como se menciono anteriormente una fotografía del plano de la malla existente se muestra en la Figura anexa (Figura 1A anexa) Para obtener el diseño de la malla en el programa se procedió a introducir al mismo las coordenadas de cada uno de los conductores existentes en la malla. El conductor utilizado es un conductor calibre 4/0 AWG de Cobre recocido duro al 97%, cuyo diámetro es de 13.462 mm y a una profundidad de 1 m, ya que según la información suministrada por la empresa esta se encuentra a esta profundidad. A continuación se muestra la tabla correspondiente a los conductores.
Tabla 3.6. Tabla de conductores dispuestos en la malla existente.
Primario
X1 (m) 0
Y1 (m) 0
Z1 (m) 1
X2 (m) 78
Y2 (m) 0
Z2 (m) 1
Número de elementos conductores 1
Diámetro (mm) 13.462
Activado
Primario
0
0
1
0
56
1
1
13.462
Activado
Primario
0
56
1
78
56
1
1
13.462
Activado
Primario
7.5
0
1
7.5
56
1
1
13.462
Activado
Primario
12
0
1
12
56
1
1
13.462
Activado
Primario
17.5
11
1
17.5
56
1
1
13.462
Activado
Primario
17.5
11
1
78
11
1
1
13.462
Activado
Primario
7.5
5.5
1
28.5
5.5
1
1
13.462
Activado
Primario
34.5
0
1
34.5
56
1
1
13.462
Activado
Primario
39
0
1
39
56
1
1
13.462
Activado
Primario
44.5
0
1
44.5
56
1
1
13.462
Activado
Primario
53.2
0
1
53.2
56
1
1
13.462
Activado
Primario
58.2
0
1
58.2
56
1
1
13.462
Activado
Primario
70.7
0
1
70.7
56
1
1
13.462
Activado
Primario
78
0
1
78
56
1
1
13.462
Activado
Primario
12
15
1
17.5
15
1
1
13.462
Activado
Primario
17.5
20.5
1
78
20.5
1
1
13.462
Activado
Primario
28.5
28
1
78
28
1
1
13.462
Activado
Primario
17.5
36
1
78
36
1
1
13.462
Activado
Primario
0
45.5
1
78
45.5
1
1
13.462
Activado
Primario
0
13.5
1
7.5
13.5
1
1
13.462
Activado
Tipo
Activado
37 Tabla 3.6. Tabla de conductores dispuestos en la malla existente. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Diámetro (mm)
Activado
Primario
0
21
1
7.5
21
1
1
13.462
Activado
Primario
28.5
0
1
28.5
56
1
1
13.462
Activado
Primario
0
27.5
1
7.5
27.5
1
1
13.462
Activado
Primario
0
37.5
1
7.5
37.5
1
1
13.462
El programa toma los valores correspondientes y los lleva a una malla digitalizada. En la Fig. 3.3, se muestra la configuración de la malla existente en la Subestación Caja Seca.
Fig. 3.3. Configuración de la malla.
En el modulo de análisis de la malla se observan los conductores existentes con sus respectivas coordenadas, el reporte del análisis de la malla se muestra en la Tabla 3.9. Tabla 3.9. Reporte de análisis de la malla existente. Reporte de análisis de la malla Nombre de la subestación Proyecto Estudio Spec. Z paralelo equivalente Frecuencia nominal Nombre de la barra Corriente de falla LG
Tuesday, February 10, 2009, 13:28:22 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE S/E Caja Seca Parámetros Z infinito 60 hz 115 2580 amps
38 Tabla 3.9. Reporte de análisis de la malla existente. (Continuación) Contribución a distancia Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior
100 % 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Resultados de salida Elevación del potencial de tierra 5893.42 voltios Resistencia de tierra calculada 2.17242 ohmios Impedancia equivalente 2.17195 ohmios X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Longitud Radio Corriente (metros) (mm) (amps) 0 0 1 78 0 1 78 6.6 206.4292 0 0 1 0 56 1 56 6.6 153.3539 0 56 1 78 56 1 78 6.6 206.0953 7.5 0 1 7.5 56 1 56 6.6 125.6294 12 0 1 12 56 1 56 6.6 123.1309 17.5 11 1 17.5 56 1 45 6.6 98.8978 17.5 11 1 78 11 1 60.5 6.6 122.9113 7.5 5.5 1 28.5 5.5 1 21 6.6 46.8487 28.5 0 1 28.5 56 1 56 6.6 111.4755 34.5 0 1 34.5 56 1 56 6.6 103.7238 39 0 1 39 56 1 56 6.6 102.5114 44.5 0 1 44.5 56 1 56 6.6 108.1667 53.2 0 1 53.2 56 1 56 6.6 111.315 58.2 0 1 58.2 56 1 56 6.6 115.9582 70.7 0 1 70.7 56 1 56 6.6 131.9341 78 0 1 78 56 1 56 6.6 156.986 12 15 1 17.5 15 1 5.5 6.6 10.5501 17.5 20.5 1 78 20.5 1 60.5 6.6 114.0174 28.5 28 1 78 28 1 49.5 6.6 90.1287 17.5 36 1 78 36 1 60.5 6.6 114.8221 0 45.5 1 78 45.5 1 78 6.6 157.5455 0 13.5 1 7.5 13.5 1 7.5 6.6 17.1603 0 21 1 7.5 21 1 7.5 6.6 16.4796 0 27.5 1 7.5 27.5 1 7.5 6.6 16.5045 0 37.5 1 7.5 37.5 1 7.5 6.6 16.864 Longitud total de los conductores primarios 1182.5 metros Número total de elementos 25
Electrodo (#) Asy 1 Asy 2 Asy 3 Asy 5 Asy 6 Asy 7 Asy 8 Asy 9 Asy 10 Asy 11 Asy 12 Asy 13 Asy 14 Asy 15 Asy 16 Asy 17 Asy 18 Asy 19 Asy 20 Asy 21 Asy 22 Asy 23 Asy 24 Asy 25 Asy 26
En este reporte se listan las coordenadas de los elementos de la malla y la corriente que cada elemento difunde a tierra. En la última columna se indica el número de referencia a que corresponde el montaje. El número de referencia es el número de fila de la entrada del dato en la hoja de cálculo. También cabe destacar que nos indica el valor de la resistencia a tierra calculada el cual presenta un valor elevado, recordando que el valor de la resistencia a tierra en subestaciones de transmisión no debe exceder 1Ω .
39 Igualmente en este reporte se presentan los parámetros necesarios para el cálculo de la elevación de potencial a tierra, resistencia de la malla a tierra y de la impedancia equivalente presentes en la malla existente en la subestación. Al realizar el análisis de los diagramas de contornos y de perfile de los potenciales de paso, contacto y de superficie se deben introducir en el programa el valor de la corrientes de cortocircuito presente. El valor de la corriente de cortocircuito se obtienen de los datos suministrados por CADAFE en los cálculos ejecutados en corrientes de cortocircuito (Tabla 2A anexa), donde se muestran los valores de la corriente de cortocircuito tanto monofásica como trifásica. La corriente de cortocircuito presenta un valor de: I K = 2.580kA
3.2.1 Diagrama de Contorno de Potencial Obtenida la corriente de cortocircuito se procede a realizar el estudio del diagrama de contorno de la malla, donde se puede observar los gradientes de potencial a lo largo del área de la malla. La malla existente en la subestación Caja Seca no posee electrodos de puesta a tierra y su configuración tampoco presenta una distribución uniforme de los conductores que forman la cuadrícula, pues de dicha geometría se puede entender que fueron conductores colocados arbitrariamente y unidos con soldadura auto-fundente. Tabla 3.10. Datos de la barra.
Nombre de la barra
Corriente de falla LG (amps)
Duración de la falla (segs.)
Contribución telemandada (%)
LG X/R
Rtg (ohms)
Líneas de transmisión
Rdg (ohms)
Líneas de distribución
115
2580
0.5
100
20
100
4
200
1
40 En la Tabla 3.10 se puede observar los valores correspondientes a la corriente de cortocircuito de la malla existente, luego al realizar el análisis de contorno obtenemos la grafica correspondiente al análisis de los gradientes de potencial existentes en la malla.
Fig. 3.4. Diagrama de Contorno de Potencial Malla existente.
Al generarse el gráfico de contorno se estudia el punto de máximo potencial encontrado dentro del área seleccionada. Este punto representa para las tensiones de contacto el gradiente mas escarpado encontrado en el análisis. Este se indica con una cruz amarilla, en la Fig. 3.4 se puede observar con claridad la ubicación del punto de máximo potencial. De igual manera en una visión en 3D Fig. 3.4, se puede observar este punto de máximo potencial.
41
Fig. 3.5. Diagrama de contorno en 3D Malla existente.
En el reporte correspondiente al análisis de los gradientes de potenciales de contacto se pueden observar todos los parámetros tomados en cuenta para el estudio y los datos resultantes del análisis en cuestión. En la Tabla 3.11, se tiene este reporte. Tabla 3.11. Reporte de contorno de potencial de la Malla existente. Reporte de contorno de potencial Nombre de la subestación Proyecto Estudio Título Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Corriente del electrodo de retorno Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos)
Tuesday, February 10, 2009, 14:29:35 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE S/E Caja Seca Parámetros CONTORNO DE POTENCIAL MALLA EXISTENTE 115 2580 amps 100 % 0 amps 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Sí
42 Tabla 3.11. Reporte de contorno de potencial de la Malla existente. (Continuación) X1 Y1 X2 Y2
0 metros 0 metros 78 metros 56 metros Intervalos X Intervalos Y
60 60 Niveles de umbral del potencial de contacto
Tensión máxima de contacto
0 (0%)
271.727 (33.33%)
815.18 voltios
543.453 (66.67%)
815.18 (100%)
1086.91 (133.33%)
Máximo Potencial de contacto en los puntos 3472.41 voltios X (metros) Y (metros) 65 4.66667
Corriente LT Permitida
605.546 amps
En este reporte se muestran los niveles de umbral de contacto, en esta barra se observa que el valor de la tensión máxima de contacto en la subestación es de 815.18 V, los colores indican cuanto porcentaje de esta tensión se encuentra presente en la malla. Al visualizar la Fig. 3.4, se puede establecer que por el color uniforme en la malla y de acuerdo a la barra de colores que representan los niveles umbrales, la malla presenta una elevación significativa en cuanto al potencial de contacto existente. Cabe destacar que esta se encuentra sobre el 33.33 % del valor máximo tolerable. Posteriormente se realizara el estudio de los niveles de potenciales, donde se observara un mejor enfoque en cuanto a la seguridad de la malla.
3.2.2 Diagrama de Perfil de Potencial Los niveles de los potenciales presentes en la malla se observan de mejor manera al realizar el estudio de los diagramas de perfil, donde se mostraran los valores de los potenciales de paso en toda la extensión de la malla, además de las tensiones de contacto y de superficie.
43
Gráfico 3.3. Diagrama de perfil de Potencial de la Malla existente.
El respectivo reporte de este análisis se encuentran en la Tabla 3.12. Tabla 3.12. Reporte del perfil de potencial. Reporte de contorno de potencial Nombre de la subestación Proyecto Estudio
CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE S/E Caja Seca Parámetros PERFIL DE POTENCIAL MALLA EXISTENTE
Título Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Corriente del electrodo de retorno Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos) X1 Y1 X2 Y2
Tuesday, February 10, 2009, 14:29:35
115 2580 amps 100 % 0 amps 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Sí 0 metros 0 metros 78 metros 56 metros
44 Tabla 3.12. Reporte del perfil de potencial. (Continuación) Reporte de contorno de potencial Intervalo entre los pasos
Tuesday, February 10, 2009, 14:29:35
1 metros Niveles de umbral del potencial de contacto
Elevación del potencial de tierra Tensión máxima de paso Tensión máxima de contacto
5888.58 voltios 2768.59 voltios 815.18 voltios
Máximo Potenciales de superficie Potenciales de paso Potenciales de contacto
4670.55 voltios 476.96 voltios 3314.29 voltios
En el Gráfico 3.3, como se mencionó anteriormente, se puede tener un mejor enfoque de los valores de los potenciales de contacto, los cuales se encuentra muy por encima del valor máximo permitido, lo que concuerda justamente con el problema presente en la subestación en cuanto a las molestias expuestas por los operarios. En este reporte se destacan los niveles umbrales de los potenciales de contacto y de paso para un paso de 1 m y los valores máximos permisibles. Por esta razón es conveniente realizar una mejora a esta malla, dicha mejora se realizará mediante el reforzamiento de esta. Luego se realizará el diseño de una nueva malla que cumpla con los parámetros y criterios exigidos tanto por la norma IEEE80-2000 como en las especificaciones técnicas generales y particulares de CADAFE referentes al sistema de puesta a tierra.
RECONFIGURACIÓN DE LA MALLA En este capítulo se realizará la mejora de la malla de puesta a tierra, como también las modificaciones necesarias para tratar de reducir los sobrevoltajes existentes y el valor de la resistencia de puesta a tierra de la malla, para que estos se adecuen a los criterios exigidos para subestaciones de transmisión.
4.1
PROBLEMA Como se pudo observar en el desarrollo del capítulo 3, al realizar el estudio de la malla
existente en la subestación Caja Seca, esta presenta una deficiencia en su seguridad en cuanto a los niveles de los potenciales de contacto presentes, ya que estos valores se encuentran por encima del valor máximo permitido, ocasionando de esta manera que las operaciones en la misma resulten peligrosas. Igualmente el valor de la resistencia de puesta a tierra no cumple con el valor mínimo exigido para subestaciones de transmisión. Se procederá a realizar a manera de estudio el diseño de una nueva malla para esta subestación, siguiendo los criterios de la IEEE2000-80 y a las normas exigidas por CADAFE para el diseño de redes de tierra.
4.2
PROPUESTA DE SOLUCIÓN El principal objetivo a lograr para la mejora en una malla a tierra deficiente, es la
reducción de las diferencias de potencial en las superficies de las instalaciones al producirse
46 una falla a tierra, ya que esto asegura la integridad de las personas que se encontraran expuestas a las corrientes de fallas a tierra. Así se debe denotar que aunque el valor de la resistencia a tierra sea bajo no implica que la malla sea segura bajo una condición de falla, ya que puede darse el caso de que no cumpla con los niveles de voltajes permitidos. La resistencia a tierra es un indicador de cuan efectivo esta el sistema para el retorno de las corrientes de falla. En el Capítulo 2 se describieron las diferentes opciones para la reducción del valor de la resistencia de puesta a tierra y de los sobrevoltajes presentes, para hacer que la malla eficiente y segura. Se optó por la solución más factible y viable de acuerdo a las necesidades de la empresa, como lo es el aumento del área de la malla e inserción de conductores horizontales y de varillas de puesta a tierra. Debido a la mal distribución de los conductores en la malla existente se efectuará la creación de una malla periférica a una profundidad de 0.5 m, esto debido a que sobre la malla existente resultaría difícil trabajar, ya que es una subestación que se encuentra operando y cuyos equipos obstaculizan trabajar sobre la misma, sin embargo se procederá a la inserción de conductores en ciertas zonas donde no se encuentre ningún equipo (adyacencias de la cerca de la subestación). Sobre la malla periférica se introducirán electrodos de puesta a tierra a cierta profundidad con la finalidad de llegar a la zona de menor resistividad, e igualmente se insertaran estos a lo largo de la malla existente, en las uniones donde sean necesarias y colocadas a las distancias recomendadas.
4.3
MALLA PERIFÉRICA El estudio de la mejora a la malla existente se realizará igualmente usando como
herramienta el programa CYMGRD, el análisis del suelo es el mismo usado en el estudio de la malla existente, ya que el valor de la resistividad no se ve afectado por la introducción de nuevos conductores y varillas de puesta a tierra.
47 Por lo tanto el estudio comenzará con la inserción de los conductores horizontales y de las varillas de puesta a tierra. Tomando el modelo de la malla existente se trabajara sobre esta creando una malla periférica, la cual se extenderá 10 m a cada lado de la malla existente pero a una profundidad de 0.5 m, como se mencionó anteriormente.
4.3.1 Análisis del Suelo Los datos para el diseño se tabularan en la Tabla 4.1, estos datos son exportados del análisis realizado en el capítulo 3 y se denotarán en la mismas los datos de los parámetros utilizados para el diseño. Se utilizaron los siguientes datos: Tabla 4.1. Parámetros del suelo y de seguridad de la malla. Resistividad de la Capa Superior del terreno Resistividad de la Capa Inferior del terreno Resistividad Capa superficial del terreno
1073.22 Ω-m 157.54 Ω-m 3000 Ω-m
Espesor capa piedra picada
0.2 m
Profundidad de la malla de tierra
0.5 m
Temperatura ambiente
40 ºC
Temperatura máxima de operación de uniones exotérmicas Temperatura máxima de operación de uniones a compresión
450 ºC 250 ºC
Corriente de cortocircuito
2580 A
Tiempo total de despeje
0.5 s
Relación X/R del sistema
20
Largo de la malla de Tierra
78 m
Ancho de la malla de tierra
56 m
Separación entre perímetro de la malla de la cerca
1.5 m
Peso corporal
50 kg
48
4.3.2 Selección del Conductor. Para la selección del conductor a usar, la norma IEEE80-2000 y según las normas de la empresa CADAFE se recomienda como conductor mínimo el de calibre 4/0 AWG de cobre desnudo. Datos del conductor (los datos de los conductores se encuentran en la Tablas 3A y 4A anexa):
Calibre Nº 4/0 AWG Diámetro (dc) = 13.462 mm Sección (A) = 107.3 mm2 ts = 0.5 seg TCAP = 3.42 r (20ºC) = 1.78 r (20ºC) = 0.00381
K 0 = 242 Ta = 40 ºC Tm = 450 ºC Teniendo los parámetros de la malla y los datos del conductor se procede verificar de que este pueda soportar la corriente de falla que circulará por la misma, para este cálculo se hace uso de las ecuación 2.13 indicada por la norma IEEE80-2000 y la cual se encuentra descrita en el Capítulo 2 de este informe. Recordando y evaluando la ecuación 2.13, se obtiene:
I = Amm 2 ⋅
TCAP ⋅ 10 −4 ts ⋅ α r ⋅ ρ r
3.42 ⋅ 10 −4 234 + 450 ⎞ ⎛ 234 + 450 ⎞ ln⎜ ln⎛ ⎟ = 107.3 ⎜ ⎟ 0.5 ⋅ 1.78 ⋅ 0.00381 ⎝ 234 + 40 ⎠ ⎝ 234 + 40 ⎠
49 I = 32.59kA ≥ 2.580kA
Este valor es menor que el de la corriente de falla que circulara por la malla, por lo tanto el conductor es adecuado para el diseño. Ahora se insertaran los conductores en el programa CYMGRD para realizar el estudio del nuevo diseño de la malla. El diseño de la malla periférica se usara tomando en cuenta que la separación entre conductores será de 3 m y se colocaran electrodos de puesta a tierra de manera intercalada. En la siguiente tabla se observa la distribución de los conductores, tanto de la malla existente como los insertados para el diseño de la malla periférica con los parámetros del conductor seleccionado. A continuación se resumen los datos obtenidos con la ayuda de la norma IEEE80-2000 y del software CYMGRD. Tabla 4.2. Datos del conductor. Conductor para la malla Denominación
Cobre comercial de duro trenzado
Conductividad
97%
Calibre
4/0 AWG
Estos datos son insertados en la entrada de datos de los conductores como el material y el calibre, el programa inserta de manera automática el valor del diámetro correspondiente a ese conductor. Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. Activado
Activado
Tipo
1
X1 (m)
0
Y1 (m)
0
Z1 (m)
1
X2 (m)
78
Y2 (m)
0
Z2 (m)
1
Número de elementos conductores 1
Material
Tamaño
Diámetro (mm)
Copper commercial harddrawn
4/0 AWG
13.462
50 Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Activado
2
0
0
1
0
56
1
1
Activado
3
0
56
1
78
56
1
1
Activado
4
78
0
1
78
56
1
1
Activado
5
7.5
0
1
7.5
56
1
1
Activado
6
12
0
1
12
56
1
1
Activado
8
17.5
11
1
78
11
1
1
Activado
9
28.5
0
1
28.5
56
1
1
Activado
10
34.5
0
1
34.5
56
1
1
Activado
11
39
0
1
39
56
1
1
Activado
12
44.5
0
1
44.5
56
1
1
Activado
13
53.2
0
1
53.2
56
1
1
Activado
14
58.2
0
1
58.2
56
1
1
Activado
15
70.7
0
1
70.7
56
1
1
Activado
16
78
0
0.5
78
56
0.5
1
Activado
17
17.5 20.5
1
78
20.5
1
1
Activado
18
28.5
1
78
28
1
1
28
Material
Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn
Tamaño
Diámetro (mm)
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
51 Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Activado
20
0
45.5
1
78
45.5
1
1
Activado
21
0
13.5
1
7.5
13.5
1
1
Activado
22
0
21
1
7.5
21
1
1
Activado
23
0
27.5
1
7.5
27.5
1
1
Activado
24
0
37.5
1
7.5
37.5
1
1
Activado
25
0
51
1
78
51
1
1
Activado
26
0
5.5
1
78
5.5
1
1
Activado
27
4
0
1
4
56
1
1
Activado
28
74
0
1
74
56
1
1
Activado
29
7.5
15
1
78
15
1
1
Activado
30
62
56
1
62
0
1
1
Activado
31
66
56
1
66
0
1
1
Activado
32
49
56
1
49
0
1
1
Activado
33
22
56
1
22
0
1
1
Activado
34
25
56
1
25
0
1
1
Activado
35
15
56
1
15
0
1
1
Activado
36
-10
-10
0.5
-10
66
0.5
1
Material
Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hardCopper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard
Tamaño
Diámetro (mm)
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
52 Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Activado
38
88
66
0.5
88
-10
0.5
1
Activado
39
-10
-10
0.5
88
-10
0.5
1
Activado
40
-5
-10
0.5
-5
66
0.5
1
Activado
41
-10
-5
0.5
88
-5
0.5
1
Activado
42
-10
61
0.5
88
61
0.5
1
Activado
43
83
-10
0.5
83
66
0.5
1
Activado
44
0
-10
0.5
0
0
0.5
1
Activado
45
5
-10
0.5
5
0
0.5
1
Activado
46
11
-10
0.5
11
0
0.5
1
Activado
47
17
-10
0.5
17
0
0.5
1
Activado
48
23
-10
0.5
23
0
0.5
1
Activado
49
29
-10
0.5
29
0
0.5
1
Activado
50
35
-10
0.5
35
0
0.5
1
Activado
51
41
-10
0.5
41
0
0.5
1
Activado
52
47
-10
0.5
47
0
0.5
1
Activado
53
53
-10
0.5
53
0
0.5
1
Activado
54
59
-10
0.5
59
0
0.5
1
Material
Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn
Tamaño
Diámetro (mm)
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
53 Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Activado
55
65
-10
0.5
65
0
0.5
1
Activado
57
78
-10
0.5
78
0
0.5
1
Activado
58
-10
0
0.5
0
0
0.5
1
Activado
59
-10
5
0.5
0
5
0.5
1
Activado
60
-10
10
0.5
0
10
0.5
1
Activado
61
-10
15
0.5
0
15
0.5
1
Activado
62
-10
20
0.5
0
20
0.5
1
Activado
63
-10
25
0.5
0
25
0.5
1
Activado
64
-10
30
0.5
0
30
0.5
1
Activado
65
-10
35
0.5
0
35
0.5
1
Activado
66
-10
40
0.5
0
40
0.5
1
Activado
67
-10
45
0.5
0
45
0.5
1
Activado
68
-10
50
0.5
0
50
0.5
1
Activado
69
-10
56
0.5
0
56
0.5
1
Activado
70
0
56
0.5
0
66
0.5
1
Activado
71
5
56
0.5
5
66
0.5
1
Activado
72
11
56
0.5
11
66
0.5
1
Activado
73
17
56
0.5
17
66
0.5
1
Activado
74
23
56
0.5
23
66
0.5
1
Activado
75
29
56
0.5
29
66
0.5
1
Material
Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard
Tamaño
Diámetro (mm)
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
54 Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación) Activado
Tipo
X1 (m)
Y1 (m)
Z1 (m)
X2 (m)
Y2 (m)
Z2 (m)
Número de elementos conductores
Activado
76
35
56
0.5
35
66
0.5
1
Activado
77
41
56
0.5
41
66
0.5
1
Activado
78
47
56
0.5
47
66
0.5
1
Activado
79
53
56
0.5
53
66
0.5
1
Activado
80
59
56
0.5
59
66
0.5
1
Activado
81
65
56
0.5
65
66
0.5
1
Activado
82
71
56
0.5
71
66
0.5
1
Activado
83
78
56
0.5
78
66
0.5
1
Activado
84
0
0
0.5
78
0
0.5
1
Activado
85
0
0
0.5
0
56
0.5
1
Activado
86
0
56
0.5
78
56
0.5
1
Material
Tamaño
Copper commercial hard-
4/0 AWG
Copper commercial hard Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial hard Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial harddrawn Copper commercial hard
La configuración de la malla resultante se muestra a continuación:
Fig. 4.1. Reconfiguración de la malla con solo conductores.
Diámetro (mm) 13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
4/0 AWG
13.462
55 En una visión en 3D se puede observar a la profundidad en la que se encuentra la malla existente y la malla periférica.
Fig. 4.2. Reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D.
Se realiza el análisis de la malla para conocer si con solo la inserción de esta malla periférica es suficiente para obtener la reducción del valor de la resistencia de tierra y de los valores de los voltajes de seguridad en la subestación. En la Tabla 4.8 se muestra la hoja de reporte del análisis de la malla, en el mismo se plasman los resultados de salida al igual que los datos de cada conductor presentes en la configuración de la malla. Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada. Reporte de análisis de la malla Nombre de la subestación Proyecto Estudio
Tuesday, February 03, 2009, 21:44:43 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla mejorada
56 Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada.(Continuación) Parámetros Spec. Z paralelo equivalente Frecuencia nominal Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior
Z infinito 60 hz 115 2580 amps 100 % 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Resultados de salida
Elevación del potencial de tierra Resistencia de tierra calculada Impedancia equivalente
X1
Y1
Z1
0 0 0 78 7.5 12 17.5 17.5 28.5 34.5 39 44.5 53.2 58.2 70.7 78 17.5 28.5 17.5 0 0 0 0 0 0 0 4
0 0 56 0 0 0 11 11 0 0 0 0 0 0 0 0 20.5 28 36 45.5 13.5 21 27.5 37.5
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.5 1 1 1 1 1 1 1 1
51 5.5 0 0 15 56 56 56 56 56
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
74 7.5 62 66 49 22 25
3606 voltios 1.32913 ohmios 1.32895 ohmios Elementos del electrodo primario X2 Y2 Z2 Longitud Radio (mm) (metros) 78 0 1 78 6.7 0 56 1 56 6.7 78 56 1 78 6.7 78 56 1 56 6.7 7.5 56 1 56 6.7 12 56 1 56 6.7 17.5 56 1 45 6.7 78 11 1 60.5 6.7 28.5 56 1 56 6.7 34.5 56 1 56 6.7 39 56 1 56 6.7 44.5 56 1 56 6.7 53.2 56 1 56 6.7 58.2 56 1 56 6.7 70.7 56 1 56 6.7 78 56 0.5 56 6.7 78 20.5 1 60.5 6.7 78 28 1 49.5 6.7 78 36 1 60.5 6.7 78 45.5 1 78 6.7 7.5 13.5 1 7.5 6.7 7.5 21 1 7.5 6.7 7.5 27.5 1 7.5 6.7 7.5 37.5 1 7.5 6.7
78 78 4 74 78 62 66 49 22 25
51 5.5 56 56 15 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
78 78 56 56 70.5 56 56 56 56 56
6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7
Corriente (amps) 50.4774 38.716 49.7919 38.9554 47.6443 46.409 34.0777 39.8152 41.8156 42.6834 42.4989 42.4354 42.074 42.2183 44.5296 26.407 39.8237 34.27 42.4519 54.5566 5.3092 5.2163 5.2912 5.4027
Electrodo (#) Asy 1 Asy 2 Asy 3 Asy 4 Asy 5 Asy 6 Asy 7 Asy 8 Asy 10 Asy 11 Asy 12 Asy 13 Asy 14 Asy 15 Asy 16 Asy 17 Asy 19 Asy 20 Asy 21 Asy 22 Asy 23 Asy 24 Asy 25 Asy 26
55.1005 56.1684 46.1708 44.5211 44.3767 42.1365 43.9413 41.5243 41.2068 39.7436
Asy 27 Asy 28 Asy 30 Asy 31 Asy 51 Asy 52 Asy 53 Asy 54 Asy 55 Asy 56
57 Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada.(Continuación) X1
Y1
Z1
-10 -10 88 -10 -5 -10 -10 83 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65 71 78 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65
-10 66 66 -10 -10 -5 61 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
71 78 78
56 56 0
Y2
Z2
Longitud
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
X2 (metros) -10 88 88 88 -5 88 88 83 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65 71 78 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65
76 98 76 98 76 98 98 76 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Radio (mm) 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 5.3 5.3 5.3 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7
Corriente (amps) 89.772 114.6003 89.6903 114.3868 64.0456 83.241 83.4517 63.9598 8.6715 8.2577 7.9832 7.8291 7.5021 7.4044 7.3543 7.4004 7.4019 7.4527 7.6215 7.8923 8.3032 8.8812 8.6869 8.2019 8.0008 7.7257 7.571 7.5603 7.3531 7.4162 7.5006 7.858 8.2471 8.7963 8.6577 8.2149 7.8927 7.5461 7.4318 7.4121 7.3988 7.4661 7.4794 7.5363 7.707 7.9758
Electrodo (#) Asy 58 Asy 59 Asy 60 Asy 61 Asy 62 Asy 63 Asy 64 Asy 65 Asy 66 Asy 67 Asy 68 Asy 69 Asy 70 Asy 71 Asy 72 Asy 73 Asy 74 Asy 75 Asy 76 Asy 77 Asy 78 Asy 79 Asy 80 Asy 81 Asy 82 Asy 83 Asy 84 Asy 85 Asy 86 Asy 87 Asy 88 Asy 89 Asy 90 Asy 91 Asy 92 Asy 93 Asy 94 Asy 95 Asy 96 Asy 97 Asy 98 Asy 99 Asy 100 Asy 101 Asy 102 Asy 103
66 66 -10 -10 66 -5 61 66 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 56 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
0.5 0.5 0.5
71 78 88
66 66 0
0.5 0.5 0.5
10 10 10
6.7 6.7 6.7
8.384 8.9589 8.7141
Asy 104 Asy 105 Asy 106
58 Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada.(Continuación) X1
Y1
Z1
X2 (metros)
Y2
Z2
Longitud
Radio (mm)
Corriente (amps)
Electrodo (#)
78
10
0.5
88
10
0.5
10
6.7
7.8634
Asy 108
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
10 10 10 10 10 10 10 10 10 78 56 78
6.7 7.6102 6.7 7.5239 6.7 7.5745 6.7 7.574 6.7 7.6143 6.7 7.8602 6.7 7.9477 6.7 8.3635 6.7 8.9113 6.7 38.4682 6.7 28.5618 6.7 37.9599 3314.5 metros
Asy 109 Asy 110 Asy 111 Asy 112 Asy 113 Asy 114 Asy 115 Asy 116 Asy 117 Asy 122 Asy 123 Asy 124
78 78 78 78 78 78 78 78 78 0 0 0
15 0.5 88 15 20 0.5 88 20 25 0.5 88 25 30 0.5 88 30 35 0.5 88 35 40 0.5 88 40 45 0.5 88 45 50 0.5 88 50 56 0.5 88 56 0 0.5 78 0 0 0.5 0 56 56 0.5 78 56 Longitud total de los conductores primarios Número total de elementos
98
En este reporte detallado se pueden observar los parámetros para el estudio de los niveles de seguridad de la malla, así como tambien los parámetros arrojados por el estudio del análisis del suelo. El reporte muestra igualmente la información del valor de la elevación del potencial a tierra, los valores de la resistencia de tierra calculada y el de la impedancia equivalente. Igualmente se observan la información de los conductores colocados en la configuración de la malla. Esta información describe el tipo de conductor, si es conductor primario de retorno o distinto, e igualmente muestra la corriente que circulará por el mismo, sus coordenadas longitud y el radio. Para este estudio el valor de la resistencia de puesta a tierra obtenida es de 1.32913 Ω , lo cual se encuentra por encima del valor exigido por la empresa para subestaciones de transmisión, el cual debe ser menor a 1 Ω . En este estudio igualmente se puede observar los niveles de seguridad de la malla, como lo son los diagramas de contorno de potencial y de los perfiles de potencial, dichos diagramas se muestran en las Figs. 4.3 y 4.4.
59
Fig. 4.3. Contorno de Potencial de la reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D.
En la Tabla 4.5 se muestra el reporte del diagrama de contorno. Tabla 4.5. Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada. Reporte de contorno de potencial Nombre de la subestación Proyecto Estudio
Título Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Corriente del electrodo de retorno Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos) X1 Y1 X2 Y2
Tuesday, February 03, 2009, 22:21:00
CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla mejorada Parámetros Diagrama de contorno de potencial #01 115 2580 amps 100 % -2580 amps 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Sí -10 metros -10 metros 88 metros 66 metros
60 Tabla 4.5. Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada.(Continuación) Intervalos X Intervalos Y Tensión máxima de contacto
0 (0%)
60 60 Niveles de umbral del potencial de contacto 877.02 voltios
292.34 (33.33%)
Máximo Potencial de contacto en los puntos X (metros) 86.3667
584.68 (66.67%) 1506.95 voltios
877.02 (100%)
Corriente LT Permitida
1169.36 (133.33%)
1501.31 amps
Y (metros) 63.4667
De la Tabla 4.5, se deduce que los niveles de umbral de potencial de contacto en algunas de las regiones de la malla se encuentra al 33.33% sobre el valor máximo del permitido, lo que quiere decir que la malla no cumple con los requerimientos de seguridad que deben presentar la malla en la subestación. Para un mejor entendimiento de cómo esto afecta la seguridad de la malla en cuanto a las tensiones de contacto se refiere, se mostraran los diagramas de perfíl correspondientes a este análisis, en la Fig. 4.4 se ilustrará esta situación.
Gráfico 4.1. Diagrama de Perfil de Potencial reconfiguración de la malla solo conductores
61 Se observa que aunque los potenciales de paso y de superficie se encuentran por debajo del máximo permisible, los potenciales de contacto presentan una elevación peligrosa en la mayor parte de la malla de tierra. En el reporte se mostraran los valores máximos permisibles y el valor máximo del perfil de contacto, este se mostrará en la Tabla 4.6. Tabla 4.6. Reporte de Perfil de Potencial de la malla mejorada. Reporte del perfil de potencial Nombre de la subestación
Tuesday, February 03, 2009, 22:21:06 CAJA SECA
Proyecto Estudio
ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla Mejorada Parámetros
Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos)
2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Sí
X1 Y1 X2 Y2
-10 metros -10 metros 88 metros 66 metros
Intervalo entre los pasos
1 metros Niveles de umbral del potencial de contacto
Elevación del potencial de tierra Tensión máxima de paso Tensión máxima de contacto
3606 voltios 3015.93 voltios 877.02 voltios
Máximo Potenciales de superficie Potenciales de paso Potenciales de contacto
2966.03 voltios 288.67 voltios 1518.84 voltios
Estos resultados llevan a la conclusión de que se deben introducir electrodos de puesta a tierra. Debido a que la capa de menor resistividad se encuentra a una profundidad de 2.83 m, se procede a utilizar dos electrodos atornillables de 2.4 m, esto con la finalidad de alcanzar la capa de menor resistividad.
62
4.3.3 Malla con Electrodos La configuración de los electrodos se determinara por la colocación de un electrodo en cada una de las esquinas de la malla periférica y luego a lo largo de la misma de manera intercalada. Igualmente se insertaran electrodos en la malla existente. Al igual como se realizó la introducción de los parámetros para los conductores de la malla, se realizará para la inserción de los electrodos de puesta a tierra. Primeramente se conocerán los datos de las varillas, como el material y el tamaño de las mismas. Tabla 4.7. Datos del electrodo de puesta a tierra Varillas de puesta a tierra Denominación Corriente derivada a tierra
Coopperweld 2580 A
Diámetro
5/8”
Longitud
4.8 m
La nueva configuración de la malla con conductores y electrodos es la que se muestra en la Fig. 4.4.
Fig. 4.4. Reconfiguración de la Malla de puesta a tierra con electrodos insertados
63 Para este nuevo estudio, ahora con las varillas de puesta a tierra insertadas se obtiene un nuevo reporte, en el cual mostrara como han cambiado los parámetros de seguridad de la malla debido a esta mejora. La Tabla 4.16 muestra los resultados de salida y toda la información de cada conductor y varilla presente en la configuración de la malla. Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla Reporte de análisis de la malla Nombre de la subestación Proyecto Estudio Spec. Z paralelo equivalente Frecuencia nominal Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Elevación del potencial de tierra Resistencia de tierra calculada Impedancia equivalente X1
Y1
Z1
0 0 0 78 7.5 12 17.5 17.5 28.5 34.5 39 44.5 53.2 58.2 70.7 78 17.5 28.5 17.5 0 0
0 0 56 0 0 0 11 11 0 0 0 0 0 0 0 0 20.5 28 36 45.5 13.5
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.5 1 1 1 1 1
Wednesday, February 04, 2009, 14:50:38 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla mejorada Parámetros Z infinito 60 hz 115 2580 amps 100 % 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Resultados de salida
2797.7 voltios 1.03116 ohmios 1.03106 ohmios Elementos del electrodo primario X2 Y2 Z2 Longitud Radio (metros) (mm) 78 0 1 78 6.7 0 56 1 56 6.7 78 56 1 78 6.7 78 56 1 56 6.7 7.5 56 1 56 6.7 12 56 1 56 6.7 17.5 56 1 45 6.7 78 11 1 60.5 6.7 28.5 56 1 56 6.7 34.5 56 1 56 6.7 39 56 1 56 6.7 44.5 56 1 56 6.7 53.2 56 1 56 6.7 58.2 56 1 56 6.7 70.7 56 1 56 6.7 78 56 0.5 56 6.7 78 20.5 1 60.5 6.7 78 28 1 49.5 6.7 78 36 1 60.5 6.7 78 45.5 1 78 6.7 7.5 13.5 1 7.5 6.7
Corriente (amps) 24.3493 17.4288 23.4058 17.844 23.0108 22.6919 15.6837 17.9114 19.2014 20.5406 19.1737 20.1325 19.5632 18.675 22.1932 12.0856 17.2957 17.1155 18.1904 23.6547 2.7948
Electrodo (#) Asy 1 Asy 2 Asy 3 Asy 4 Asy 5 Asy 6 Asy 7 Asy 8 Asy 10 Asy 11 Asy 12 Asy 13 Asy 14 Asy 15 Asy 16 Asy 17 Asy 19 Asy 20 Asy 21 Asy 22 Asy 23
64 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1
Y1
Z1
0 0 0 0 0 4 74 7.5 62 66 49 22 25 15 -10 -10 88 -10 -5 -10 -10 83 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65 71 78 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0
21 27.5 37.5 51 5.5 0 0 15 56 56 56 56 56 56 -10 66 66 -10 -10 -5 61 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 56 56
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
X2 (metros) 7.5 7.5 7.5 78 78 4 74 78 62 66 49 22 25 15 -10 88 88 88 -5 88 88 83 0 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65 71 78 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Y2
Z2
Longitud
21 27.5 37.5 51 5.5 56 56 15 0 0 0 0 0 0 66 66 -10 -10 66 -5 61 66 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 56 66
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
7.5 7.5 7.5 78 78 56 56 70.5 56 56 56 56 56 56 76 98 76 98 76 98 98 76 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
Radio (mm) 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7 6.7
Corriente Electrodo (amps) (#) 2.5324 Asy 24 2.3274 Asy 25 2.6153 Asy 26 26.9037 Asy 27 29.2183 Asy 28 22.3358 Asy 30 22.2837 Asy 31 20.8959 Asy 51 19.6165 Asy 52 19.9622 Asy 53 18.4726 Asy 54 20.5972 Asy 55 19.5366 Asy 56 21.0844 Asy 57 44.2793 Asy 58 58.1592 Asy 59 44.3705 Asy 60 58.4977 Asy 61 33.129 Asy 62 44.3737 Asy 63 43.8076 Asy 64 33.3244 Asy 65 4.2653 Asy 66 4.536 Asy 67 3.8877 Asy 68 4.3392 Asy 69 3.627 Asy 70 4.0597 Asy 71 3.5059 Asy 72 4.0087 Asy 73 3.4974 Asy 74 4.0228 Asy 75 3.5969 Asy 76 4.2224 Asy 77 3.7764 Asy 78 4.1109 Asy 79 4.2923 Asy 80 4.4499 Asy 81 3.8305 Asy 82 4.0889 Asy 83 3.549 Asy 84 3.9099 Asy 85 3.4858 Asy 86 3.9161 Asy 87 3.5178 Asy 88 3.9411 Asy 89 3.5788 Asy 90 3.9029 Asy 91 3.7716 Asy 92
65 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1 5 11 17 23 29 35 41 47 53 59 65 71 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11 11 23 23 35 35 47
Y1
Z1
X2 Y2 (metros) 56 0.5 5 66 56 0.5 11 66 56 0.5 17 66 56 0.5 23 66 56 0.5 29 66 56 0.5 35 66 56 0.5 41 66 56 0.5 47 66 56 0.5 53 66 56 0.5 59 66 56 0.5 65 66 56 0.5 71 66 56 0.5 78 66 0 0.5 88 0 5 0.5 88 5 10 0.5 88 10 15 0.5 88 15 20 0.5 88 20 25 0.5 88 25 30 0.5 88 30 35 0.5 88 35 40 0.5 88 40 45 0.5 88 45 50 0.5 88 50 56 0.5 88 56 0 0.5 78 0 0 0.5 0 56 56 0.5 78 56 Longitud total de los conductores primarios 0 0.5 0 0 0 2.83 0 0 10 0.5 0 10 10 2.83 0 10 20 0.5 0 20 20 2.83 0 20 30 0.5 0 30 30 2.83 0 30 40 0.5 0 40 40 2.83 0 40 56 0.5 0 56 56 2.83 0 56 56 4.065 0 56 0 0.5 11 0 0 2.83 11 0 0 0.5 23 0 0 2.83 23 0 0 0.5 35 0 0 2.83 35 0 0 0.5 47 0
Z2
Longitud
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 78 56 78
2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83
2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 1.235 1.235 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33
Radio Corriente Electrodo (mm) (amps) (#) 6.7 3.5341 Asy 93 6.7 4.1477 Asy 94 6.7 3.554 Asy 95 6.7 4.0026 Asy 96 6.7 3.5014 Asy 97 6.7 3.9844 Asy 98 6.7 3.5149 Asy 99 6.7 4.0373 Asy 100 6.7 3.5808 Asy 101 6.7 4.1939 Asy 102 6.7 3.8343 Asy 103 6.7 4.6517 Asy 104 6.7 4.3449 Asy 105 6.7 4.1732 Asy 106 6.7 4.3173 Asy 107 6.7 3.7191 Asy 108 6.7 3.9847 Asy 109 6.7 3.5182 Asy 110 6.7 3.9347 Asy 111 6.7 3.5059 Asy 112 6.7 3.9436 Asy 113 6.7 3.6188 Asy 114 6.7 4.0816 Asy 115 6.7 3.7454 Asy 116 6.7 4.1115 Asy 117 6.7 18.6175 Asy 122 6.7 12.8667 Asy 123 6.7 17.8663 Asy 124 3314.5 metros 7.9 0.633 Asy 1 7.9 14.6776 Asy 1 7.9 0.6626 Asy 2 7.9 13.2648 Asy 2 7.9 0.5244 Asy 3 7.9 12.5074 Asy 3 7.9 0.5539 Asy 4 7.9 12.2234 Asy 4 7.9 0.5544 Asy 5 7.9 12.3299 Asy 5 7.9 0.5095 Asy 7 7.9 6.0483 Asy 7 7.9 7.2298 Asy 7 7.9 0.5832 Asy 8 7.9 13.3393 Asy 8 7.9 0.506 Asy 9 7.9 12.6006 Asy 9 7.9 0.4781 Asy 10 7.9 12.2083 Asy 10 7.9 0.5204 Asy 12
66 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1
Y1
Z1
47 59 59 71 71 78 78 78 88 88 88 7.4 7.4 7.4 17.5 17.5 17.5 28.7 28.7 28.7 39 39 39 88 88 88 88 88 88 77.8 77.8 77.8 65 65 65 53 53 53 17.6 17.6 17.6 17.6 17.6 17.6 28.5 28.5 28.5 12 12
0 0 0 0 0 10 10 10 0 0 0 45 45 45 45.5 45.5 45.5 45.7 45.7 45.7 45.7 45.7 45.7 56 56 56 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 36 36 36 20.7 20.7 20.7 20 20 20 15 15
2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 1.665 2.83 0.5 2.83 4.065 1 2.83 4.315 1 2.83 4.315 1 2.83 4.315 1 2.83 4.315 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 1 2.83 4.315 1 2.83 4.315 1 2.83 4.315 1 2.83
X2 (metros) 47 59 59 71 71 78 78 78 88 88 88 7.4 7.4 7.4 17.5 17.5 17.5 28.7 28.7 28.7 39 39 39 88 88 88 88 88 88 77.8 77.8 77.8 65 65 65 53 53 53 17.6 17.6 17.6 17.6 17.6 17.6 28.5 28.5 28.5 12 12
Y2
Z2
Longitud
0 0 0 0 0 10 10 10 0 0 0 45 45 45 45.5 45.5 45.5 45.7 45.7 45.7 45.7 45.7 45.7 56 56 56 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 66 36 36 36 20.7 20.7 20.7 20 20 20 15 15
5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 1.665 2.83 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315 5.8 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315 5.8 2.83 4.315
2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 1.165 1.165 2.47 2.33 1.235 1.235 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485 1.485 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485 1.485 1.83 1.485
Radio (mm) 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
Corriente Electrodo (amps) (#) 12.1232 Asy 12 0.5 Asy 13 12.3922 Asy 13 0.4891 Asy 14 13.0222 Asy 14 0.1176 Asy 33 0.441 Asy 33 12.8021 Asy 33 1.4621 Asy 67 8.4667 Asy 67 9.8371 Asy 67 0.4813 Asy 68 6.1024 Asy 68 7.3629 Asy 68 0.3841 Asy 69 5.7456 Asy 69 6.9489 Asy 69 0.4982 Asy 70 5.7124 Asy 70 6.8558 Asy 70 0.498 Asy 71 5.712 Asy 71 6.8339 Asy 71 1.4138 Asy 74 8.2689 Asy 74 9.6317 Asy 74 2.1661 Asy 75 9.9843 Asy 75 11.4842 Asy 75 1.5076 Asy 76 8.5748 Asy 76 9.9495 Asy 76 1.3335 Asy 78 7.9157 Asy 78 9.1927 Asy 78 1.2568 Asy 79 7.5934 Asy 79 8.8248 Asy 79 0.5234 Asy 81 5.7451 Asy 81 6.8777 Asy 81 0.5281 Asy 82 5.7358 Asy 82 6.8843 Asy 82 0.4708 Asy 83 5.4953 Asy 83 6.5992 Asy 83 0.4548 Asy 84 6.1159 Asy 84
67 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1
Y1
Z1
12 28.5 28.5 41 41 41 29 29 29 17 17 17 88 88 88 88 88 88 58.2 58.2 7.5 7.5 88 88 78 78 0 0 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 5 5 17 17 29 29 41 41 53 53 65
15 11 11 66 66 66 66 66 66 66 66 66 50 50 50 40 40 40 45.7 45.7 28 28 30 30 0 0 50 50 20 20 30 30 40 40 50 50 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
4.315 2.83 4.315 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 0.5 2.83 4.065 1 2.83 1 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5
X2 (metros) 12 28.5 28.5 41 41 41 29 29 29 17 17 17 88 88 88 88 88 88 58.2 58.2 7.5 7.5 88 88 78 78 0 0 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 5 5 17 17 29 29 41 41 53 53 65
Y2
Z2
Longitud
15 11 11 66 66 66 66 66 66 66 66 66 50 50 50 40 40 40 45.7 45.7 28 28 30 30 0 0 50 50 20 20 30 30 40 40 50 50 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
5.8 4.315 5.8 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 4.065 5.3 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83
1.485 1.485 1.485 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 2.33 1.235 1.235 1.83 2.97 1.83 2.97 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33
Radio (mm) 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
Corriente Electrodo (amps) (#) 7.342 Asy 84 5.7183 Asy 85 6.8814 Asy 85 1.2276 Asy 87 7.4758 Asy 87 8.6896 Asy 87 1.2335 Asy 91 7.4962 Asy 91 8.7133 Asy 91 1.2694 Asy 93 7.6405 Asy 93 8.8807 Asy 93 1.3041 Asy 95 7.8307 Asy 95 9.1346 Asy 95 1.263 Asy 97 7.6655 Asy 97 8.9233 Asy 97 0.4745 Asy 101 12.6611 Asy 101 0.579 Asy 104 13.4286 Asy 104 1.2251 Asy 105 16.3155 Asy 105 0.591 Asy 106 14.1425 Asy 106 0.4825 Asy 107 12.4388 Asy 107 0.4965 Asy 108 12.3847 Asy 108 0.5566 Asy 109 12.3697 Asy 109 0.6254 Asy 110 12.6407 Asy 110 0.5735 Asy 112 13.104 Asy 112 0.6166 Asy 113 14.2505 Asy 113 0.4598 Asy 114 12.4866 Asy 114 0.4215 Asy 115 12.2443 Asy 115 0.4786 Asy 116 12.0918 Asy 116 0.5565 Asy 117 12.1002 Asy 117 0.4748 Asy 118 12.2894 Asy 118 0.5737 Asy 119
68 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1
Y1
Z1
65 5 5 -10 -10 0 0 88 88 88 88 88 88 -10 -10 0 0 11 11 23 23 35 35 47 47 59 59 71 71 78 78 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 39 39 39 39
56 66 66 66 66 66 66 10 10 20 20 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 56 56 50 50 36 36 11 11
2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 0.5 2.83 1 2.83 1 2.83
X2 (metros) 65 5 5 -10 -10 0 0 88 88 88 88 88 88 -10 -10 0 0 11 11 23 23 35 35 47 47 59 59 71 71 78 78 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 39 39 39 39
Y2
Z2
Longitud
56 66 66 66 66 66 66 10 10 20 20 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 -10 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 56 56 50 50 36 36 11 11
5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.3 2.83 5.8 2.83 5.8
2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 2.33 2.47 1.83 2.97 1.83 2.97
Radio (mm) 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
Corriente Electrodo (amps) (#) 12.9073 Asy 119 1.2497 Asy 121 16.629 Asy 121 2.1025 Asy 122 21.0667 Asy 122 1.3227 Asy 123 17.3174 Asy 123 1.2969 Asy 124 16.9676 Asy 124 1.2386 Asy 125 16.4281 Asy 125 2.1368 Asy 126 21.3428 Asy 126 2.163 Asy 127 21.5371 Asy 127 1.4595 Asy 128 18.4884 Asy 128 1.3297 Asy 129 17.2287 Asy 129 1.2567 Asy 130 16.5436 Asy 130 1.2203 Asy 131 16.2078 Asy 131 1.2195 Asy 132 16.1982 Asy 132 1.2552 Asy 133 16.5192 Asy 133 1.3079 Asy 135 17.0222 Asy 135 1.4068 Asy 136 17.9533 Asy 136 1.4654 Asy 137 18.4396 Asy 137 1.3111 Asy 138 17.1144 Asy 138 1.246 Asy 139 16.4883 Asy 139 1.2237 Asy 140 16.2835 Asy 140 1.2386 Asy 142 16.4142 Asy 142 1.3705 Asy 143 17.5556 Asy 143 1.269 Asy 144 16.6857 Asy 144 0.4513 Asy 145 12.0446 Asy 145 0.4078 Asy 146 12.2452 Asy 146
69 Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación) X1
Y1
Z1
X2 (metros) 58 11 1 58 58 11 2.83 58 28.5 36 1 28.5 28.5 36 2.83 28.5 39 20.5 1 39 39 20.5 2.83 39 49 45 1 49 49 45 2.83 49 49 36 1 49 49 36 2.83 49 58 36 1 58 58 36 2.83 58 66 45 1 66 66 45 2.83 66 66 36 1 66 66 36 2.83 66 49 21 1 49 49 21 2.83 49 58 21 1 58 58 21 2.83 58 66 21 1 66 66 21 2.83 66 49 11 1 49 49 11 2.83 49 66 11 1 66 66 11 2.83 66 Longitud total de las varillas primarias Número total de elementos
Y2
Z2
Longitud
11 11 36 36 20.5 20.5 45 45 36 36 36 36 45 45 36 36 21 21 21 21 21 21 11 11 11 11
2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8 2.83 5.8
1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97 1.83 2.97
Radio Corriente Electrodo (mm) (amps) (#) 7.9 0.4113 Asy 147 7.9 12.2704 Asy 147 7.9 0.4398 Asy 148 7.9 12.1886 Asy 148 7.9 0.4193 Asy 149 7.9 11.8269 Asy 149 7.9 0.4971 Asy 150 7.9 12.3934 Asy 150 7.9 0.4262 Asy 151 7.9 11.8938 Asy 151 7.9 0.453 Asy 152 7.9 12.0688 Asy 152 7.9 0.5353 Asy 153 7.9 13.2837 Asy 153 7.9 0.4654 Asy 154 7.9 12.8029 Asy 154 7.9 0.4422 Asy 155 7.9 11.678 Asy 155 7.9 0.4671 Asy 156 7.9 11.8354 Asy 156 7.9 0.4822 Asy 157 7.9 12.5937 Asy 157 7.9 0.3859 Asy 158 7.9 12.1169 Asy 158 7.9 0.4239 Asy 159 7.9 12.9915 Asy 159 412.8 metros
292
El reporte se entrega tal y como se muestra en la Tabla 4.8, el reporte es extenso debido a que en el mismo se pueden observar los datos de todos los conductores existentes, con sus respectivos parámetros y se presentan en este reporte de manera detalla, como también la longitud total de las varillas primarias y de los conductores primarios. En los datos de salida se tienen los valores del máximo potencial a tierra y de los valores de la resistencia a tierra calculada. El nuevo estudio arroja un valor de resistencia a tierra de 1.03116 Ω , este valor aunque no es menor que 1 Ω es aceptable, debido a que solo con la inserción de electrodos la reducción seria muy leve. Y como se mencionó en el Capítulo 2, la máxima necesidad de la empresa es la reducción del valor de los potenciales de contacto, lo cual es lo que esta afectando de manera directa la
70 seguridad de las personas presentes en la subestación. Se realizará el análisis de la malla para obtener los diagramas de contorno de potencial de la nueva configuración, y así observar los niveles de los potenciales de contacto presentes en la nueva configuración de la malla.
Fig. 4.5. Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados
Fig. 4.6. Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados en 3D
71 En una visión en 3D se observan igualmente los contornos de potencial en toda la extensión de la malla. El reporte de este análisis, se encuentra tabulado en la Tabla 4.9. Tabla 4.9. Reporte de Contorno de Potencial Reporte de contorno de potencial Nombre de la subestación Proyecto Estudio Título Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Corriente del electrodo de retorno Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos)
X1 Y1 X2 Y2 Intervalos X Intervalos Y
Tensión máxima de contacto
Wednesday, February 04, 2009, 15:43:48 CAJA SECA ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla Mejorada Parámetros Contorno de potencial Malla mejorada 115 2580 amps 100 % -2580 amps 2.83 metros 1073.22 ohm-m
157.74 ohm-m Sí -10 metros -10 metros 88 metros 66 metros 60 60 Niveles de umbral del potencial de contacto 877.02 voltios
0 292.34 584.68 877.02 (0%) (33.33%) (66.67%) (100%) Máximo Potencial de contacto en los puntos 875.162 voltios Corriente LT Permitida X (metros) Y (metros) -8.36667 -7.46667
1169.36 (133.33%)
2585.2 amps
Los niveles de umbrales del potencial de contacto asoma que la malla se encuentra alrededor del 66.67% por debajo del valor de la tensión máxima de contacto, los valores que se encuentran cercanos al valor máximo están en las esquinas de la malla periférica, pero sin embargo es aceptable. Se obtiene que el potencial de contacto de máximo valor se encuentra en las coordenadas ( x = −8.36667, y = −7.46667 ) m,para esta coordenada tiene un valor de 875.162 V
72 este punto se verifica en la zona donde este representada una equis (X) amarilla, en la Fig. 4.6. Ya conocidos los diagramas de contorno de potencial se pasará a realizar el análisis del diagrama de perfil de potencial, donde se mostraran los niveles máximos permisibles y los niveles existentes en toda la extensión de la malla. En el Gráfico 4.2, se muestra el diagrama del perfil de potencial.
Gráfico 4.2. Perfil de Potencial reconfiguracion de la malla puesta a tierra con electrodos
Se observa que en ninguna zona de la malla existen potenciales de contacto o de paso que superen el umbral de seguridad (tensión máxima tolerable). El reporte del diagrama de perfil se muestra en la Tabla 4.24. Tabla 4.10. Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados Reporte del perfil de potencial Nombre de la subestación
Wednesday, February 04, 2009, 15:48:56 CAJA SECA
73 Tabla 4.10. Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados(Continuación) Reporte del perfil de potencial Proyecto Estudio
Título Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Corriente del electrodo de retorno Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior Potenciales iguales (distintos) X1 Y1 X2 Y2 Intervalo entre los pasos
Elevación del potencial de tierra Tensión máxima de paso Tensión máxima de contacto
Wednesday, February 04, 2009, 15:48:56 ANALISIS MALLA EXISTENTE Malla mejorada Parámetros Perfil de potencial Malla mejorada 115 2580 amps 100 % -2580 amps 2.83 metros 1073.22 ohm-m 157.74 ohm-m Sí -10 metros -10 metros 88 metros 66 metros 1 metros Niveles de umbral del potencial de contacto 2797.7 voltios 3015.93 voltios 877.02 voltios
Máximo Potenciales de superficie Potenciales de paso Potenciales de contacto
2447.32 voltios 154.24 voltios 878.658 voltios
Se observa el valor de la tensión de contacto máximo existente en la malla es de 878.658 V un poco mayor al valor máximo permisible, pero sin embrago es aceptado ya que la malla para este diseño es segura, como se observaron en los anteriores diagramas, Fig. 4.5 y Gráfico 4.2.
4.4
COMPARACIÓN DE SEGURIDAD ENTRE AMBAS MALLAS A continuación se presentara una comparación de ambos estudios, donde se pueden
observar los diagramas de perfil de potenciales de la malla existente y de la malla que se estudio y realizo la mejora. En el Gráfico 4.3 se pueden visualizar las reducciones en los potenciales de contacto, que era lo que se encontraba afectando de manera directa la efectividad de la seguridad de la malla
74 en la subestación, se puede observar de manera clara que dichos potenciales se encuentran por debajo de los valores maximos permitidos.
Grafico 4.3. Comparación de Perfiles de Potencia de la Malla existente y de la Malla mejorada
Los valores tabulados de ambas mallas y las reducciones logradas para la malla existente en la subestación, se presentan en la Tabla 4.11.
75 Tabla 4.11. Valores de Comparación del Estudio Valores Máximos Tolerables Elevación del potencial de superficie 5893.42 V
Malla Existente S/E Caja Seca
Malla mejorada S/E Caja Seca
4671.26 V
2447.32 V
Tensión máxima de paso
2768.59 V
476.98 V
154.24 V
Tensión máxima de contacto
815.19 V
3319.34 V
878.658 V
1 Ω
2.17242 Ω
1.03116 Ω
Resistencia a tierra calculada
Ahora el nuevo diseño de la malla ofrece los niveles de seguridad exigidos por la empresa CADAFE y acata con las normas de la IEEE80-2000.
4.5
DISEÑO DE UNA NUEVA MALLA SEGÚN CRITERIOS IEEE802000 Para razones de estudio se realizará el diseño de una malla para la subestación Caja Seca
que cumpla con los criterios y premisas exigidos por la IEEE80-2000 y por la empresa CADAFE. Esto se realizara solo para estudiar como seria el efecto de una malla de puesta a tierra que presente cuadriculas uniformes. Se observaran los parámetros de seguridad que existirian, de ser esta la configuración de la malla. Cabe destacar que la configuración fue realizada tomando en cuenta los mismos parámetros de estudio para el análisis del suelo, por lo tanto, los valores de las resistividades de las capas del suelo y los valores de las tensiones máximas permisibles se mantienen iguales. Estos parámetros se encuentran en la Tabla 3.2. Para el estudio se tomará en cuenta que la separación entre los conductores verticales es de 4 m aproximadamente, y los electrodos o varillas de puesta a tierra se colocaran de acuerdo a
76 las recomendaciones de la norma IEEE80-2000, que indica que se coloque un (1) electrodo en cada esquina de la malla y luego de manera intercalada a lo largo de la periferia de la misma. Al realizar el análisis con esta configuración se encontró con que el valor de la resistencia a tierra no era el exigido por la empresa CADAFE (menor a 1 ) y que además esta malla no se encontraba por debajo de los valores máximos tolerables, haciendo de la malla poco segura. Debido a esta situación se procedió a introducir una hilera más de electrodos, igualmente de manera intercalada. La configuración de la malla de puesta a tierra se muestra en la Fig. 4.9.
Fig. 4.7. Contorno de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra
El diagrama de los perfiles de potencial Gráfico 4.5, muestra que los potenciales en cualquier región de la malla se encuentra por debajo de los valores máximos permisibles, como se puede observar en el diagrama de manera grafica e igualmente en el reporte donde se encuentran reflejados los valores tanto de los potenciales existentes como el de la resistencia a tierra.
77
Gráfico 4.4. Perfil de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra
El reporte del análisis de esta malla de tierra Tabla 4.26. Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla Reporte de análisis de la malla Nombre de la subestación Proyecto Estudio
Tuesday, February 10, 2009, 12:31:53 CAJA SECA Malla Caja Seca COMPARACION Parámetros
Spec. Z paralelo equivalente Frecuencia nominal Nombre de la barra Corriente de falla LG Contribución a distancia Espesor de la capa superior Resistividad de la capa superior Resistividad de la capa inferior
Z infinito 60 hz Barra 115 kV 2580 amps 100 % 3.09 metros 1132.9 ohm-m 108.73 ohm-m Resultados de salida
Elevación del potencial de tierra
2608.51 voltios
Resistencia de tierra calculada Impedancia equivalente
0.985352 ohmios 0.985255 ohmios
78 Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación) X1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 0 0
Y1
Z1
X2 Y2 (metros) 52 0.5 78 52 48 0.5 78 48 44 0.5 78 44 40 0.5 78 40 36 0.5 78 36 32 0.5 78 32 28 0.5 78 28 24 0.5 78 24 20 0.5 78 20 16 0.5 78 16 12 0.5 78 12 8 0.5 78 8 4 0.5 78 4 0 0.5 78 0 56 0.5 0 0 56 0.5 3 0 56 0.5 6 0 56 0.5 9 0 56 0.5 12 0 56 0.5 15 0 56 0.5 18 0 56 0.5 21 0 56 0.5 24 0 56 0.5 27 0 56 0.5 30 0 56 0.5 33 0 56 0.5 36 0 56 0.5 39 0 56 0.5 42 0 56 0.5 45 0 56 0.5 48 0 56 0.5 51 0 56 0.5 54 0 56 0.5 57 0 56 0.5 60 0 56 0.5 63 0 56 0.5 66 0 56 0.5 69 0 56 0.5 72 0 56 0.5 75 0 56 0.5 78 0 Longitud total de los conductores primarios 0 0.5 0 0 0 3.09 0 0
Z2
Longitud
0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 78 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56 56
3.09 5.3
2.59 2.21
Radio Corriente (mm) (amps) 6.7 23.8701 6.7 18.1828 6.7 23.1288 6.7 24.4295 6.7 26.2754 6.7 25.7322 6.7 26.7397 6.7 25.7315 6.7 26.2734 6.7 24.4252 6.7 23.1146 6.7 18.1983 6.7 23.8845 6.7 35.3014 6.7 29.5178 6.7 20.9159 6.7 17.3554 6.7 18.7569 6.7 18.5299 6.7 19.2557 6.7 18.5642 6.7 19.0435 6.7 18.3212 6.7 18.7877 6.7 18.1097 6.7 18.6158 6.7 17.9982 6.7 18.5568 6.7 17.9982 6.7 18.6158 6.7 18.1097 6.7 18.7877 6.7 18.3212 6.7 19.0435 6.7 18.5642 6.7 19.2557 6.7 18.53 6.7 18.7569 6.7 17.3555 6.7 20.916 6.7 29.5178 2682 metros 7.9 2.2779 7.9 28.4567
Electrodo (#) Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Sym 1 Asy 1 Asy 1
79 Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación) X1
Y1
Z1
Y2
Z2
Longitud
0.5
X2 (metros) 0
0
56
0 78 78 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 6 6 6 6 12 12 12 12 18 18 18 18 24 24 24
56 0 0 56 56 8.1 8.1 8.1 8.1 16 16 16 16 24 24 24 24 32 32 32 32 40 40 40 40 48 48 48 48 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56
2.59
Radio (mm) 7.9
Corriente (amps) 2.2762
Electrodo (#) Asy 2
56
3.09
3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5
0 78 78 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 0 0 78 78 6 6 6 6 12 12 12 12 18 18 18 18 24 24 24
56 0 0 56 56 8.1 8.1 8.1 8.1 16 16 16 16 24 24 24 24 32 32 32 32 40 40 40 40 48 48 48 48 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56
5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09
2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59
7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
28.4423 2.2779 28.4567 2.2762 28.4423 1.5994 25.0754 1.5994 25.0754 1.4162 23.943 1.4162 23.943 1.359 23.5735 1.359 23.5735 1.3592 23.5752 1.3592 23.5751 1.4178 23.9554 1.4178 23.9554 1.5988 25.0972 1.5988 25.0972 1.6352 25.0288 1.6345 25.0216 1.4434 23.4603 1.4433 23.458 1.3484 22.6102 1.3484 22.6093 1.2993 22.1175 1.2993
Asy 2 Asy 3 Asy 3 Asy 4 Asy 4 Asy 5 Asy 5 Asy 5 Asy 5 Asy 6 Asy 6 Asy 6 Asy 6 Asy 7 Asy 7 Asy 7 Asy 7 Asy 8 Asy 8 Asy 8 Asy 8 Asy 9 Asy 9 Asy 9 Asy 9 Asy 10 Asy 10 Asy 10 Asy 10 Asy 11 Asy 11 Asy 11 Asy 11 Asy 12 Asy 12 Asy 12 Asy 12 Asy 13 Asy 13 Asy 13 Asy 13 Asy 14 Asy 14 Asy 14
80 Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación) X1
Y1
Z1
X2 (metros)
Y2
Z2
Longitud
Radio (mm)
Corriente (amps)
Electrodo (#)
30 30 30 30 36 36 36 36 42 42 42 42 48 48 48 48 54 54 54 54 60 60 60 60 66 66 66 66 72 72 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 6
0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 8 8 8 8 16 16 16 16 24 24 24 24 32
0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5
30 30 30 30 36 36 36 36 42 42 42 42 48 48 48 48 54 54 54 54 60 60 60 60 66 66 66 66 72 72 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 6
0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 0 0 56 56 8 8 8 8 16 16 16 16 24 24 24 24 32
3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09
2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59
7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
1.273 21.8382 1.2731 21.838 1.2614 21.7087 1.2615 21.7086 1.2614 21.7087 1.2615 21.7086 1.273 21.8382 1.2731 21.838 1.2993 22.1175 1.2993 22.1172 1.3484 22.6102 1.3484 22.6093 1.4434 23.4603 1.4433 23.458 1.635 25.029 1.6343 25.0217 1.034 21.3649 1.034 21.3649 0.8772 20.7928 0.8772 20.7928 0.8344 20.6729 0.8344 20.6729 0.8345
Asy 15 Asy 15 Asy 15 Asy 15 Asy 16 Asy 16 Asy 16 Asy 16 Asy 17 Asy 17 Asy 17 Asy 17 Asy 18 Asy 18 Asy 18 Asy 18 Asy 19 Asy 19 Asy 19 Asy 19 Asy 20 Asy 20 Asy 20 Asy 20 Asy 21 Asy 21 Asy 21 Asy 21 Asy 22 Asy 22 Asy 22 Asy 22 Asy 23 Asy 23 Asy 23 Asy 23 Asy 24 Asy 24 Asy 24 Asy 24 Asy 25 Asy 25 Asy 25 Asy 25 Asy 26
81 Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación) X1
Y1
Z1
X2 (metros)
Y2
Z2
Longitud
Radio (mm)
Corriente (amps)
Electrodo (#)
6 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 12 12 12 12 18 18 18 18 24 24 24 24 30 30 30 30 36 36 36 36 42 42 42 42 48 48 48 48 54 54 54 54 60 60
32 32 32 40 40 40 40 48 48 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8
3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09 0.5 3.09
6 72 72 6 6 72 72 6 6 72 72 12 12 12 12 18 18 18 18 24 24 24 24 30 30 30 30 36 36 36 36 42 42 42 42 48 48 48 48 54 54 54 54 60 60
32 32 32 40 40 40 40 48 48 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8 48 48 8 8
5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3
2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21
7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9 7.9
20.674 0.8345 20.674 0.8779 20.7985 0.8779 20.7985 1.0342 21.3635 1.0342 21.3635 0.8656 20.0333 0.8657 20.0329 0.7961 19.4176 0.7963 19.4174 0.7643 19.0455 0.7645 19.0454 0.7479 18.8254 0.7481 18.8253 0.7407 18.7196 0.7409 18.7195 0.7407 18.7196 0.7409 18.7195 0.7479 18.8254 0.7481 18.8253 0.7643 19.0455 0.7645 19.0454 0.7961 19.4176
Asy 26 Asy 26 Asy 26 Asy 27 Asy 27 Asy 27 Asy 27 Asy 28 Asy 28 Asy 28 Asy 28 Asy 29 Asy 29 Asy 29 Asy 29 Asy 30 Asy 30 Asy 30 Asy 30 Asy 31 Asy 31 Asy 31 Asy 31 Asy 32 Asy 32 Asy 32 Asy 32 Asy 33 Asy 33 Asy 33 Asy 33 Asy 34 Asy 34 Asy 34 Asy 34 Asy 35 Asy 35 Asy 35 Asy 35 Asy 36 Asy 36 Asy 36 Asy 36 Asy 37 Asy 37
82 Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación) X1 60 60 66 66 66 66
Y1
Z1
X2 (metros)
Y2
48 0.5 60 48 48 3.09 60 48 8 0.5 66 8 8 3.09 66 8 48 0.5 66 48 48 3.09 66 48 Longitud total de las varillas primarias Número total de elementos
Z2
Longitud
3.09 5.3 3.09 5.3 3.09 5.3
2.59 2.21 2.59 2.21 2.59 2.21
Radio (mm)
Corriente (amps)
7.9 0.7963 7.9 19.4174 7.9 0.8654 7.9 20.0334 7.9 0.8656 7.9 20.0329 345.6 metros
Electrodo (#) Asy 37 Asy 37 Asy 38 Asy 38 Asy 38 Asy 38
186
Esto es solo un estudio realizado con los datos de la Subestación Caja Seca, con la finalidad de establecer una comparación de la variación de un proyecto de una malla que presenta una cuadricula irregular sin cumplir con los criterios de diseño al de una cuadricula uniforme basados en los criterios para el diseño de mallas y redes de tierra.
83
CONCLUSIONES
Mediante el estudio realizado a la malla de la subestación Caja Seca con el software CYMGRD como herramienta de análisis, se observo como en esta, los potenciales de contacto presentes se encontraban muy por encima del valor máximo tolerable por una persona, situación la cual generaba las molestias ocasionadas a los operarios al momento de tener contacto con algunas de las estructuras, así como también la avería de ciertos equipos electrónicos presentes en la planta. También se determino el valor de la resistencia a tierra mediante el uso del software al realizarse el análisis de la malla, donde este valor se encontraba por encima del valor máximo exigido para las subestaciones de transmisión. El programa ofrece una alternativa de estudio, donde se pueden evaluar cualquier tipo de malla con configuración de conductores uniforme o presente una cuadricula uniforme. Mediante la reconfiguracion de la malla por medio del diseño de una malla periférica y de la inserción de electrodos, los valores de los potenciales de contacto en toda la extensión de la malla fueron reducidos y llevados a valores que se encuentran por debajo del máximo permisible e igualmente los potenciales de paso y potenciales de superficie se encuentran en un rango menor al máximo permitido, haciendo la malla un sistema de red a tierra eficiente. El valor de la resistencia de tierra se redujo significativamente, tomando en cuenta que mediante los métodos realizados es difícil bajar el valor de la resistencia a tierra, aunque no se encuentra dentro del rango exigido por la empresa CADAFE para subestaciones de transmisión, representa un valor muy cercano a 1 Ω , lo cual es aceptable. Sin embargo la mayor preocupación de la empresa era la reducción de los niveles de potenciales de contacto, ya que esto afectaba de manera directa las operaciones en la
84 subestación, además de generar un peligro latente a las personas que laboran en la misma y a las personas que se encuentren cerca de la subestación. Lo cual con el estudio se logró una reducción importante, ya que el valor de la resistencia bajó a 1.03116 . Al realizar el diseño de una malla completamente nueva, se quiso llevar el estudio a un sistema que presentara una cuadricula uniforme con electrodos de puesta a tierra. Esto con el fin de estudiar como seria el efecto de esta sobre el terreno de la subestación. Cabe destacar que este diseño se realizo sin tomar en cuenta la malla ya presente, debido a que esto no tendría ningún sentido ya que sobre la subestación no se podría realizar este nuevo diseño.
85
RECOMENDACIONES
Debido que el sistema de puesta a tierra en las subestaciones es de gran importancia para garantizar la seguridad de las personas que laboran en ella, se recomienda mantenerlo en constante chequeo. Se recomienda igualmente que al realizar una ampliación en la subestación se verifique como incrementa la corriente de cortocircuito y mediante el software se estudie si la malla que existe sería eficiente. Para una mejor reducción en el valor de la resistencia de puesta a tierra en la subestación Caja Seca, se recomienda aplicar tratamiento químico del terreno sobre los electrodos que se encuentren en las zonas donde se presenten los mayores valores de potenciales de contacto. Se recomienda realizar la correcta conexión de los equipos a la malla de tierra.
86
REFERENCIAS ANSI/IEEE Std 80-2000. (2000). Guide for asafety in AC Substation Grounding. Briceño, H. (Marzo, 1997). Guía y Procedimiento para la Medición de la resistividad aparente e interpretación de los resultados. Briceño, H. Manual para la Medición de la Resistencia a Tierra de Sistemas de Conexión a Tierra. Unidad de Proyectos. Asesoría e Innovación Tecnológica. Facultad de Ingeniería Universidad de Los Andes. Mérida-Venezuela. C.A.D.A.F.E. Guía para el Diseño de Mallas de Tierra para Subestaciones. Caracas. C.A.D.A.F.E. (1984). NS-P-360. Especificaciones Técnicas para el Sistema de Puesta a Tierra. Caracas-Venezuela. C.A.D.A.F.E. (1988). Presentación de Proyectos de Subestaciones de Transmisión. Subestaciones Normalizadas por CADAFE. Caracas-Venezuela. C.A.D.A.F.E. (1996).Manual de Mantenimiento de Líneas y Operación de Subestaciones. Caracas-Venezuela. CYMGRD 6.3 for Windows. (2006). User Guide and reference Manual. (Rev 7). Copyright CYME International T&D Inc. Martín, J. R. (1990). Diseño de Subestaciones Eléctricas. México: McGraw-Hill. McDonald, J. (2007). Electric Power Substations engineering. (Segunda Edición). Estados Unidos: Taylor & Francis Group.
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ANEXOS Tabla 1A. Resistividad de materiales superficiales caracteristicos (IEEE80-2000) Resistividad de la muestra Número
.m
Descripción del material de superficie Seco
Húmedo 1300 (agua superficial, 45 .m) 1200 (agua llovida, 100W) 6513 (10 min. después de drenar agua a 45 .m)
1
Granito
140x10 6
2
Granito molido 1.5 pulg.(0.04 mts.)
4000
3
Granito molido 0.75-1pulg. (0.02-0.025mts)
____
4
Grnito limpio 1-2 pulg. (0.025-0.05 mts.)
1.5x106 a 4.5x106
5000 (agua de lluvia, 100 .m)
5
Granito limpio 2-4 pulg. (0.05-1 mts.)
2.6x106 a 3x106
10000 (agua de lluvia, 100 .m)
6
Piedra caliza
7x106
2000-3000 (agua superficial 45 .m)
2x106
10000
10x106
5000 800 (agua superficial, 45 .m)
Granito limpio similar a la grava 0.75 pulg. (0.02 mts.) Granito lavado Granito lavado #57 (0.75 plg)(0.02m)
7 8 9
190x10 6
10
Asfalto
2x106 a 30x106
10000 a 6x106
11
Concreto
1x106 a 1x109
21 a 100
Tabla 2A. Datos de la Subestacion Caja Seca (CADAFE) Icc en 115 kV
P.U.
K.A
MVA de CC en 115 kV
13.8 kV
Icc 3f
5.13291
2.58
MVA 3f
514.54
Nº
%Z
MVA
Icc 1f
3.62089
1.82
MVA 1f
120.84
P. TRAFO
9.92
16
MVA base
100
UNION
11
16