Norberto Sirabonian - Alfredo Rifaldi

El objeto es mostrar un ejemplo con resultados de calculo de una red de puesta a tierra y verificar sus condiciones de funcionamiento para la ampliación y remodelacion de una Estación Eléctrica.

El área que se integra a las obras existentes contiene el equipamiento de 220 kV, y los transformadores 200 / 132 kV que alimentaran una estación antigua de 132 kV existente, y una nueva GIS de 132 kV.

Las obras existentes, subestacion, y edificios tienen su red de puesta a tierra, este proyecto agrega una parte de red de tierra que se debe integrar.

Para el diseño y verificación de la puesta a tierra se han hecho suposiciones sobre lo existente, y el agregado se ha integrado con ellas.

El área cubierta por la subestacion existente se ha supuesto con un mallado de 10 x 10 m, el área cubierta por los edificios que se conservan se ha supuesto rodeada de un cable perimetral, y con algunos dispersores tendidos en diagonal.

El área de la nueva subestacion de 220 kV presenta algunas particularidades:

Parte del suelo contiene un enorme canal de cables de hormigón armado, a los fines de la seguridad para las personas que transitan en la superficie se lo supone "metálico" por lo que no presenta peligros de tensiones de paso y de contacto, a los fines de la dispersión de la corriente al suelo se supone que este canal no drena corriente restando la influencia beneficiosa que la masa de hormigón tendría en la resistencia de tierra total.

El resto del área contiene tierra conductora, se considera suelo homogéneo de resistividad 50 ohm m, ni canales de cables, ni fundaciones de hormigón, ni otros elementos enterrados.

Se ha rodeado el área de un anillo perimetral que contiene las redes de tierra existentes y la ampliación objeto de estudio.

La figura se obtuvo, con el programa ERDEGG (GISEP - UTN Regional Santa Fe - Ing. Orlando Hevia) que recibe la descripción de todas las barras dispersoras que forman la red y desarrolla la vista en planta, dado también el computo de dispersores.

En principio no se han incluido en la representación de la red dispersores verticales (jabalinas) seguramente incluidos en la red existente, y que se incluirán en el proyecto de detalle de la ampliación particularmente asociados a los descargadores y el neutro de los transformadores de potencia

El dato de corriente drenada por la red de tierra se determina a partir de la corriente de falla monofasica a tierra que debe ser conocida.

Para esta red se presentan distintas condiciones de falla monofasica a tierra, la subestacion esta alimentada por dos ternas de cables de 220 kV, de ella salen varias ternas de 132 kV (una cantidad del orden de 10 o mas), también hay una red de cables de 13.2 kV de distribución en el área de influencia de esta subestacion.

Todos los cables son con pantalla y armadura conectadas a tierra en ambos extremos, por lo que una parte de las corrientes de falla es conducida por pantallas y armaduras a otras subestaciones, y no es drenada a tierra por la red en estudio.

Los cables en sus recorridos están acompañados por dispersores que conducen y drenan otra parte de la corriente de falla.

La gran cantidad de dispersores adicionales hacen suponer que la corriente efectivamente drenada por la red de tierra en cuestión será reducida respecto de la corriente total a tierra.

Las corrientes de falla en los sistemas eléctricos tienen valores reales que se conocen por cálculos y se verifican con los registros de fallas.

Como limite se alcanzan valores normalizados, en el caso de nuestro interés para las tensiones indicadas en la tabla, se indican los valores de corriente y las potencias en MVA

En el proyecto de la red eléctrica (sistema) se trata de que los valores de corriente de falla monofasica no superen la trifasica que puede llegar a presentarse.

De la corriente total de falla monofasica solo una parte es drenada por la red de tierra, otra parte es conducida y no contribuye a crear tensiones de paso y de contacto.

Se puede evaluar la reducción que producen los distintos dispersores auxiliares con la tabla que sigue, el factor indicado se aplica a la corriente total, y se obtiene la corriente drenada por la red de tierra.

Para la situación de nuestro interés debemos considerar varios cables de mas de 110 kV, el factor de reducción puede ser entonces del orden del 10%..

Si el factor fuera 10% y la corriente de falla monofasica alcanzara los 30000 A, la corriente drenada podría alcanzar los 3000 A, los valores de tensiones de paso y de contacto deberían evaluarse con esta base.

Una mejor evaluación de la repartición de corriente exige evaluar los parámetros de los cables.

La IEEE 80 (como a continuación la citaremos) define una metodología de trabajo por sucesivos pasos y controles del diseño propuesto y desarrollo (ver fig. 26, pag. 111, diagrama de bloques del procedimiento de diseño). Estos son:

paso 1 - datos del campo, área de estudio, y características físicas del terreno.

paso 2 - tamaño del conductor que será utilizado para la red de tierra, a partir de la corriente de falla, y duración de la falla

paso 3 - criterios de limites de tensiones de paso y de contacto

paso 4 - diseño inicial, cantidad de material de la red superficial y piquetes

paso 5 - resistencia de la malla de tierra, basada en su geometría.

paso 6 - corriente drenada por la malla de tierra, influencia de otros dispersores.

paso 7 - control de la tensión total, si esta resulta limitada respecto de los valores definidos en punto 3 la seguridad esta verificada.

paso 8 - tensiones de paso y de contacto, determinación de los valores correspondientes a la red.

paso 9 y paso 10 - control de la tensión de contacto y de la tensión de paso, los resultados del paso 8 se comparan con los valores definidos en paso 3, la seguridad esta verificada, en caso contrario se debe modificar el diseño (paso 11) retomando el calculo en el paso 5, actuando eventualmente también sobre la corriente drenada por la red.

paso 12 - diseño de detalle, que se desarrolla superadas las etapas de calculo y verificación.

Las tensiones de paso y de contacto determinadas por IEEE80 verifican condiciones de seguridad aceptables, para las situaciones planteadas.

Los cables que llegan a la estación, acompañados por un dispersor drenan parte de la corriente de falla, que no es drenada a tierra. El comportamiento es distinto si el cable aporta corriente de falla o simplemente drena.

Los parámetros correspondientes se calculan con el programa A-GUACAB (del paquete WPROCALC www.ing.unlp.edu.ar/sispot/)

Cable de retorno dispersor enterrado

Datos

Resultados

Estos resultados permiten estima valores de impedancias que en paralelo a la resistencia de tierra drenan parte de la corriente de falla, reduciendo la corriente drenada por la red de tierra, y entonces sus efectos.

Con el programa GUARDIA (www.ing.unlp.edu.ar/sispot/) que utiliza los parámetros de las líneas se puede determinar la distribución de las corrientes entre cables de acompañamiento de los cables conductores, y la red de tierra de la estación.

El calculo se ha planteado con dos cables de 220 kV, y 8 de 132 kV, todos acompañados por un cable de tierra de resistencia 0.2 ohm/km, y despreciando las pantallas y armaduras, como si estuvieran puestas a tierra en un solo punto.

La consideración de pantallas y armaduras exige el conocimiento mas detallado de todas sus características, y de las distancias y características de las restantes estaciones eléctricas que rodean la que se estudia. Por otra parte el efecto que estas tienen es favorable a la seguridad ya que reduce aun mas la corriente que es drenada por la red de tierra de la estación que se analiza.

TABLA - 1 - DATOS GENERALES

TABLA - 2 - DATOS DE LAS LINEAS

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POS - IDENTIFICACION DE LA LINEA O CABLE

DIA - DIAMETRO CABLES DE GUARDA O RETORNO (MM)

HK - RELACION ENTRE RADIO MEDIO GEOMETRICO Y EL RADIO DEL CABLE DE RETORNO (ENTRE 0.7 Y 1)

R - RESISTENCIA DE UN CABLE DE RETORNO (OHM/KM)

H - ALTURA MEDIA DEL CONDUCTOR SOBRE EL SUELO

DAG - DISTANCIA ENTRE CABLES DE RETORNO Y CONDUCTORES (M)

A - VANO DE LA LINEA AEREA O ELEMENTO DEL RETORNO (KM)

RTOR - RESISTENCIA DE TORRE O ELEMENTO (OHM)

Se suponen en total 10 cables, 2 de 220 kV que aportan corriente de falla y 8 de 132 kV que no contribuyen a la corriente de falla.

TABLA - 3 - PARAMETROS DE LAS LINEAS

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ZGG - IMPEDANCIA PROPIA DEL CABLE DE GUARDA

ZAG - IMPEDANCIA MUTUA CONDUCTORES CABLES DE GUARDA

ZL - IMPEDANCIA DE DISPERSION DE LA LINEA CUANDO NO APORTA

FF1 = (1 - EXP(- SQRT(ZGG/RTOR)))

TABLA - CONDICION DE FALLA

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I - CORRIENTE APORTADA (KA) PARTES REAL, IMAGINARIA, MODULO

IG - CORRIENTE DRENADA POR EL CABLE DE GUARDA

IGMIN - CORRIENTE MINIMA EN EL CABLE DE GUARDA

PARA CADA CONDICION DE FALLA ANALIZADA SE TIENEN DISTINTOS APORTES PARA CADA LINEA Y ALGUNAS LINEAS NO APORTAN, PUEDE HABER LINEAS SIN RETORNOS DEBE TENERSE EN CUENTA QUE LAS CORRIENTES NO TIENEN IGUAL FASE Y LA SUMA DE ELLAS DEBE SER VECTORIAL

Este calculo muestra que la corriente drenada por la red es de 2.1 kA situación que corresponde a 10 cables en total, si se repite el calculo para 12 cables se obtiene 1,77 kA.

Para el calculo final se utilizo el programa ERDEP1 (GISEP - UTN Regional Santa Fe - Ing. Orlando Hevia) que recibe la descripción de todas las barras dispersoras que forman la red y calcula la distribución de corriente entre barras y los potenciales en la superficie del terreno.

Un calculo de prueba se realizo con la red dispersora completa, drenando 1000 A y resultando una tensión total de 250 V

En al diagonal se observa una tensión de contacto máxima de 14% = 72 V, y de paso 6% = 31 V para 2100 A, mientras que el calculo con la metodología de la IEEE 80 nos dio (reduciendo los valores de 3200 A a 2100 A) respectivamente 138 y 32 V,

De la observación no surgen particularidades dignas de ser destacadas, lógicamente las dudas que surgen al proyectista que observa los resultados, lo invitan a recorrer otros caminos y verificar otras áreas, lo que se presento aquí esta ha limitado a mostrar las aplicaciones de los programas.

Como adelantado no se han incluido en la red dispersores verticales profundos, que mejoran las condiciones de la misma.

La parte de red existente se considera que debe ser segura en las condiciones actuales, y el agregado si bien pequeño variara favorablemente esas condiciones, por esta razón no se desarrolla el examen de las áreas existentes (para las cuales se ha supuesto una traza de red, pero esta no se basa en datos certeros), seguramente la curiosidad del proyectista lo llevara realizar también estas exploraciones.

Esta curiosidad para ser satisfecha correctamente debe basarse en datos de la red existente, y no en una suposición como se desarrollo en este caso.

Durante la obra se deberá controlar el estado de partes de la red existentes verificándose estas hipótesis.