Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Elaboración de una guía práctica para la evaluación de la calidad de energía dentro de C.N.F.L. (Primera parte: Sistemas de aterrizamiento en Edificios) Por: Irene Víquez Barrantes Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2007

2 Elaboración de una guía práctica para la evaluación de la calidad de energía dentro de C.N.F.L. (Primera parte: Sistemas de aterrizamiento en Edificios) Por: Irene Víquez Barrantes Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Max Ruiz Arrieta Profesor Guía Ing. José Alberto Salazar Ramírez Profesor lector Ing. Alfonso Herrera Herrera Lector ii

3 DEDICATORIA A mi familia por estar siempre a mi lado. A mis amigos y compañeros por su apoyo, compañía y ayuda a través de estos años. iii

4 RECONOCIMIENTOS Agradezco al profesor guía Max Ruiz, por su constante apoyo y disponibilidad durante la realización de este proyecto, a los lectores José Alberto Salazar y Alfonso Herrera por brindar información de suma importancia y estar anuentes a consultas. Agradezco también a los miembros del Departamento de Conservación de la Energía y Eficiencia Energética del plantel Anonos de C.N.F.L, Leonardo Montealegre y Gonzalo Mora que ayudaron durante el estudio de campo realizado en el plantel; así como al personal del Departamento Administrativo de Redes Eléctricas por permitir realizar las inspecciones en este edificio. Además agradezco a mi familia y amigos por el apoyo brindado. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS...viii NOMENCLATURA...ix RESUMEN...x CAPÍTULO 1: Introducción Justificación Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología... 6 CAPÍTULO 2: Calidad de energía en redes eléctricas Importancia de la calidad de energía Factores que afectan la calidad de energía en sistemas de potencia Eventos electromagnéticos que producen problemas de calidad de energía Transitorios Variaciones de tensión de larga duración Variaciones de tensión de corta duración Fluctuaciones en la tensión CAPÍTULO 3: Sistemas de Aterrizamiento Importancia de los sistemas de puesta a tierra Problemas típicos relacionados con los sistemas de puesta a tierra Problemas con conductores y conectores Ausencia de puesta a tierra de protección Múltiples conexiones de tierra a neutro Varillas adicionales a tierra Lazos de tierra Dimensionamiento del neutro Soluciones a problemas en sistemas de puesta a tierra Resistencia del electrodo a tierra Conexiones adecuadas en la acometida del sistema Conexiones correctas en el tablero principal Instalación de una tierra aislada Derivaciones aisladas del sistema de potencia Referencia de señales Otras recomendaciones Técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra Resistividad del suelo Método de Wenner Medición de la resistencia de aterrizamiento Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento en sistemas de dos capas Valores máximos permisibles en el diseño de sistemas de aterrizamiento 34 v

6 CAPÍTULO 4: Caso de Estudio: Calidad de energía y Sistemas de Puesta a Tierra en el Plantel Anonos de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz Regulación vigente para problemas asociados a la calidad de energía Regulación vigente internacional Regulación vigente nacional Regulación vigente para sistemas de aterrizamiento Regulación vigente internacional Regulación vigente nacional Plantel Anonos de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz Aspectos generales Estudio de campo en el plantel Anonos de la C.N.F.L Descripción y evaluación de la instalación existente en el edificio de redes del plantel Anonos de C.N.F.L Mediciones de campo Propuesta de diseño del sistema de aterrizamiento Comparación de la malla de aterrizamiento existente y la malla de aterrizamiento propuesta Análisis de resultados CAPÍTULO 5: Guía práctica para el diseño de sistemas de aterrizamiento Introducción Análisis constructivo y de cargabilidad Análisis del suelo Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento Valores máximos permisibles Recomendaciones al elegir la configuración de la malla de aterrizamiento Consideraciones para minimizar problemas de calidad de energía CAPÍTULO 6: Conclusiones Conclusiones Recomendaciones BIBLIOGRAFIA...89 APÉNDICES...91 vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Transitorio impulsivo causado por una descarga atmosférica. [1] Figura 2.2 Transitorio tipo oscilatorio de corriente causado por conmutación de capacitores. [1] Figura 2.3 Transitorio tipo oscilatorio de baja frecuencia causado por la energización de un banco de capacitores, barra de tensión de 34.5kV. [1] Figura 2.4 Caída de tensión temporal debido al arranque de un motor. [1] Figura 2.5 Pico de tensión instantáneo provocado por una falla de línea a tierra. [1] Figura 2.6 Fluctuación en la tensión causada por arcos eléctricos debidos a sobrecalentamientos. [1] Figura 3.1 Efecto de la malla de referencia a señales en la impedancia a tierra. [1] Figura 3.2 Arreglo de electrodos para el Método de Wenner. [20] Figura 3.3 Carta Maestra. [21] Figura 3.4 Arreglo de electrodos para el método de caída de potencial. [20] Figura 3.5 Curva de resistencia del electrodo a tierra. [20] Figura 4.1 Medidor digital de la resistencia de la tierra (Digital Ground Resistance Tester 4500) Figura 4.2 Curva de resistividad de Wenner, Plantel Anonos C.N.F.L. Utilizando Matlab Figura 4.3 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la primera capa, Método de Wenner Figura 4.4 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la segunda capa, Método de Wenner Figura 4.5 Esquema de capas, resistividades y profundidades obtenidas Figura 4.6 Malla de aterrizamiento propuesta Figura 5.1 Medidor digital de la resistencia del suelo Figura 5.2 Colocación de los electrodos, método de Wenner. [20] Figura 5.3 Curva de resistividad aparente y Carta Maestra Figura 5.4 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, primera capa Figura 5.5 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, segunda capa vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia. [1] Tabla 3.1 Valores medios de la resistividad del suelo [7] Tabla 4.1 Puesta a tierra del Transformador Tabla 4.2 Lista de materiales instalados en el edificio de redes Tabla 4.3 Características eléctricas presentes en el edificio de redes Tabla 4.4 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta alta del Edificio de redes Tabla 4.5 Distribución de tableros en la planta alta del edifico de redes Tabla 4.6 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta baja del Edificio de redes.. 43 Tabla 4.7 Distribución de tableros en la planta baja del edifico de redes Tabla 4.8 Resistividad del terreno plantel Anonos de CNFL Tabla 4.9 Parámetros de la malla propuesta Tabla 4.10 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento propuesta Tabla 4.11 Parámetros de la malla existente Tabla 4.12 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento existente Tabla 4.13 Resultados obtenidos para el cálculo de la tensión de la malla de aterrizamiento existente Tabla 4.14 Comparación de las mallas de aterrizamiento Tabla 5.1 Valores de resistencia a tierra para transformadores. [8] Tabla 5.2 Valores de resistencia a tierra de equipos de baja tensión. [8] Tabla 5.3 Porcentaje de reducción de la resistencia según la configuración [8] Tabla 5.4 Resumen de ecuaciones para calcular la resistencia de la malla en modelos de dos capas Tabla 5.5 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento Tabla 5.6 Valores medios de la resistividad del suelo [7] Tabla 5.7 Resumen de ecuaciones para calcular la tensión de malla Tabla 5.8 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la tensión de malla Tabla 5.9 Fenómeno electromagnético y dispositivo a utilizar para minimizar su efecto viii

9 NOMENCLATURA AC (CA): Corriente Alterna. ANSI: American National Standard Institute (Instituto Nacional de Estándares Americanos) A.R.E.S.E.P: Autoridad Reguladora de Servicios Públicos. AWG: American Wire Gauge (Calibración Americana de Cables) CC (DC): Corriente Continua C.N.F.L: Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A IEEE: The Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos) NEC: National Electric Code (Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos) PU: Por Unidad. PVC: Policloruro de vinilo (material de las tuberías eléctricas) RMS: Raíz Media Cuadrática. T-8: Lámparas fluorescentes con balastos electrónicos. UL: Underwriters Laboratories (Laboratorios de Evaluación) UPS: Uninterruptible Power Supplies (Fuentes de potencia ininterrumpida) XLPE: Polietileno reticulado (aislamiento de cables subterráneos) ix

10 RESUMEN Este proyecto tiene como objetivo analizar la malla de aterrizamiento existente en el edificio Administrativo del Departamento de Redes Eléctricas ubicado en el plantel Anonos de la C.N.F.L. y proponer un rediseño de la misma considerando conceptos ligados con la calidad de energía, con el fin de desarrollar una guía práctica para el diseño de mallas de aterrizamiento robustas, capaces de minimizar los problemas de calidad de energía que puedan presentarse en sistemas eléctricos. En el capítulo 4 se desarrolla el estudio de campo en el cual se realizaron las mediciones respectivas para analizar el terreno y su resistividad, a partir de esto se llevaron a cabo los cálculos pertinentes de resistencia de la malla y valores máximos permisibles de tensiones, tanto en la malla existente como en la propuesta, además se llevó a cabo una inspección del sistema existente, seguido por una serie de recomendaciones para mejorarlo desde el punto de vista de la calidad de energía. El capítulo 5 presenta la guía práctica, que tiene como base las recomendaciones presentes en las normas nacionales e internacionales de la IEEE, el NEC, y el estudio de campo realizado en el plantel Anonos de la C.N.F.L. La implementación de esta guía pretende dar un enfoque práctico para escoger la configuración de la malla de aterrizamiento, así como recomendaciones y consideraciones para minimizar los posibles problemas de calidad de energía. En el capítulo 6 se indican las principales conclusiones entre las cuales es importante mencionar que al realizar el proceso de investigación bibliográfico y el estudio de normas, es evidente la falta de información nacional en cuanto a la calidad de energía desde el punto de vista de su efecto en los usuarios y la prevención de los problemas que trae consigo, así como la escasez de apoyo al diseñar un sistema de aterrizamiento. x

11 CAPÍTULO 1: Introducción 1.1 Justificación La calidad de energía se define como cualquier problema de potencia que se manifieste como una variación en la tensión, corriente o frecuencia y cuyo resultado sean fallas o una mala operación de los equipos del usuario. [1] En la última década se han introducido en gran escala equipos electrónicos a los sistemas eléctricos. Debido a que estos equipos son susceptibles a pequeñas fluctuaciones en los parámetros de tensión, corriente y frecuencia, es de suma importancia el estudio de la calidad de energía, el cual se ha convertido en un factor indispensable para garantizar el buen funcionamiento de equipos y mantener una alta confiabilidad de los sistemas de potencia. Cabe mencionar que para minimizar los problemas de calidad de la energía se busca que la potencia entregada sea constante, se mantenga dentro de los ámbitos de voltaje y frecuencia y posea una forma de onda senoidal libre de contenido armónico. Por lo tanto las variaciones en la tensión, las distorsiones armónicas y los malos sistemas de aterrizamiento suelen ser los principales responsables de causar problemas de calidad de energía. Ante esta situación y ante la falta de procedimientos de diseño de sistemas de aterrizamiento en el país, surge la idea de elaborar este trabajo y abrir así el camino para futuros estudios sobre el tema. Seguidamente se muestran una serie de ejemplos prácticos con la intención de dar a conocer la importancia de una adecuada puesta a tierra en la calidad de energía y por lo tanto en el buen funcionamiento de equipos. 1

12 1. Razones del mal funcionamiento de un seleccionador de semillas en el sureste de Alabama. [12] Este seleccionador de semillas no era capaz de operar por un periodo de tiempo continuo, que en ocasiones era de cinco minutos y en otras ocasiones de varias horas, sin apagarse debido a un error de comunicaciones. Para recuperar la operación apropiada era necesario reiniciar la máquina manualmente. El proceso de reiniciación tardaba cerca de cinco minutos provocando pérdidas importantes en el proceso de producción. La operación de la máquina mejoraba en los periodos lluviosos, lo que indicaba que se debía a problemas de aterrizamiento. Luego de realizar pruebas y consultar a ingenieros de la Compañía de Energía de Alabama (Alabama Power Company s EPQ Engineers) se concluyó que la falla se debía a errores en el cableado y aterrizamiento del sistema eléctrico de esta industria; los principales puntos a destacar son los siguientes: Al alimentar equipo electrónico, se debe incluir siempre un cable de tierra con los conductores de fase. Varillas a tierra separadas no se deben implementar en un sistema eléctrico a menos que estén conectadas adecuadamente al sistema de puesta a tierra. El NEC indica que todos los electrodos a tierra que posea el sistema eléctrico en cuestión deben unirse para formar un sistema de puesta a tierra interconectado y una única referencia. Si el neutro y la tierra están conectados en el panel de alimentación, es posible que se den referencias intermitentes no equipotenciales en los distintos módulos del seleccionador de semillas, debido a las corrientes circulantes por la conexión de tierra y neutro. 2

13 2. Motivos del daño de equipos en un servicio de grúas en Alabama.[12] Se presentaron daños en equipos eléctricos y en el sistema telefónico. La alimentación era un banco de transformadores de 12.47kV en estrella a 480V en delta sin aterrizar. Para alimentar cargas monofásicas se utilizaba un transformador seco de 480:120/240 V. Al realizar pruebas e investigaciones se detectó que el problema se debía al sistema no aterrizado, debido a que como se indica en el NEC, en el Libro Verde de la IEEE y en el Handbook de Sistemas de Potencia Industriales, una de las razones por las que se deben aterrizar los sistemas de corriente alterna es para limitar las variaciones del tensión debido a descargas atmosféricas y transitorios en las líneas y para estabilizar el voltaje a tierra durante operación normal. Además las fallas debidas a arcos hacia tierra en sistemas no aterrizados pueden provocar sobre tensiones severas, llegando a seis veces el valor nominal. Por lo tanto es de suma importancia que los sistemas de corriente alterna estén aterrizados para protección de personas y equipo, si se debe utilizar un sistema no aterrizado, es recomendable que se le instale indicadores de falla a tierra para que se localicen y despejen las fallas tan pronto como ocurran. 3. Causas del mal funcionamiento de computadoras personales en un ayuntamiento en Alabama. [12] Los errores de operación se daban únicamente en una computadora personal por lo que el problema estaba en el circuito ramal al que estaba conectada esta, luego de realizar investigaciones adicionales se descubrió que una sección del conducto metálico en este circuito ramal había sido reemplazado con un conducto plástico y que otra sección del circuito no poseía conducto, esto significa que del todo no había aterrizamiento en el circuito. Por este 3

14 tipo de situaciones es necesaria la instalación de un cable de tierra separado con los conductores de fase y no utilizar el conducto como tierra en sistemas que alimenten controles basados en microprocesadores y demás equipos electrónicos, debido a que este tipo de equipos necesitan una referencia de señales confiable y es más efectiva la utilización de un cable de tierra. Con estos ejemplos es claro que los sistemas de puesta a tierra poseen un rol de suma importancia en cuanto a la calidad de energía entregada a los usuarios y mediante estos sistemas se evitan daños y malas operaciones de los equipos, además de protección a los usuarios. En cuanto a calidad de energía el rol principal de los sistemas de aterrizamiento es proporcionar una referencia confiable a todas las señales eléctricas del sistema y garantizar el buen funcionamiento de los equipos presentes en el sistema. 4

15 1.2 Objetivos Objetivo general Realizar una investigación bibliográfica y un estudio de campo para elaborar una propuesta de diseño del sistema de puesta a tierra del edificio de redes del plantel Anonos de la C.N.F.L. considerando conceptos ligados a la calidad de energía Objetivos específicos Investigar sobre los conceptos de calidad de energía asociados al diseño de sistemas de puesta a tierra. Indagar sobre las técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra. Revisar las normas y regulaciones existentes sobre el diseño de sistemas de puesta a tierra. Revisar las normas y regulaciones existentes sobre calidad de energía. Realizar un estudio de campo dentro del plantel Anonos de la C.N.F.L haciendo uso de los equipos de medición disponibles en la C.N.F.L. Elaborar la propuesta de diseño óptimo para el sistema de puesta a tierra del plantel Anonos de la C.N.F.L. Desarrollar una guía práctica para el diseño de sistemas de puesta a tierra tomando en cuenta los conceptos ligados a la calidad de energía. 5

16 1.3 Metodología El desarrollo de este trabajo se lleva a cabo primeramente mediante investigación bibliográfica, realizando una revisión de libros, artículos, tesis y otros proyectos relacionados con el tema, con el objetivo de recopilar información e ideas útiles para el desarrollo de este proyecto. Además, mediante esta investigación bibliográfica se realiza una búsqueda de ejemplos prácticos sobre el problema de la calidad de energía enfocado a los sistemas de aterrizamiento, con sus respectivas soluciones y recomendaciones para crear un marco conceptual que permita analizar de una mejor manera los problemas presentes en el plantel de Anonos de la C.N.F.L. Luego, se realiza un análisis y estudio detallado de las regulaciones y normas vigentes para los temas de calidad de energía y sistemas puestos a tierra. Como siguiente punto se programan visitas al plantel Anonos de la C.N.F.L, con las cuales se pretende lo siguiente: 1. Conocer acerca de los problemas de calidad de energía ligados a los sistemas de aterrizamiento presentes en el plantel. 2. Realizar un estudio del tipo de instrumentación disponible para llevar a cabo las pruebas y mediciones necesarias para diseñar un sistema de puesta a tierra. 3. Determinar el método que mejor se adapte al caso del plantel de los Anonos para el diseño óptimo de los sistemas de puesta a tierra en el edificio elegido; justificando adecuadamente su elección. 4. Llevar a cabo las mediciones necesarias para el desarrollo del método antes elegido. 5. Ejecutar un resumen y análisis según los resultados obtenidos para finalmente proponer el diseño óptimo del sistema de aterrizamiento para el edificio elegido 6

17 por medio del cual se garantice confiabilidad del sistema eléctrico y minimización de los problemas que conciernen la calidad de energía. Finalmente, se elabora una guía práctica de diseño, la cual resume las principales consideraciones para lograr sistemas de puesta a tierra robustos, que garanticen un buen funcionamiento de los equipos sensibles de un usuario final. 7

18 CAPÍTULO 2: Calidad de energía en redes eléctricas 2.1 Importancia de la calidad de energía El crecimiento en la fabricación y en la utilización de dispositivos electrónicos sensibles en las industrias, así como el aumento de cargas no lineales en las mismas, ha traído consigo una serie de nuevos retos tanto para las empresas proveedoras de servicios eléctricos como para los consumidores finales de la energía eléctrica. Estos retos, entendidos como una gama de problemas que afectan el funcionamiento del equipo eléctrico instalado en el cliente final de una empresa eléctrica, se resumen en un solo término: la calidad de energía. Este tema se ha convertido en toda un área de estudio dentro de la ingeniería eléctrica, debido a que la evaluación de los sistemas eléctricos y su calidad de energía resulta importante tanto por factores técnicos como económicos entre los cuales se pueden mencionar: Aumento en la vida útil de los equipos. Funcionamiento eficiente de los mismos. Menor riesgo de fallas, con esto se aumenta la confiabilidad de operación. Disminución de costos por mantenimiento. Reducción de costos de operación ante una menor compra de dispositivos de protección y sistemas de respaldo. Menor inversión en pólizas de seguros ante un mejor desempeño de los equipos. Se reduce el riesgo de demandas y su consecuente costo. Se evitan pérdidas en las líneas de producción. En general se puede afirmar que la calidad de energía garantiza al usuario final, sea este residencial, comercial o industrial que los niveles de potencia, entiéndase tensión, corriente y frecuencia, van a estar dentro de los valores adecuados para que los 8

19 dispositivos funcionen de la mejor manera posible, logrando cumplir sus labores de manera satisfactoria. 2.2 Factores que afectan la calidad de energía en sistemas de potencia Existen tres formas básicas en las que se puede presentar un problema de calidad de energía en un sistema eléctrico: Desviaciones en la tensión. Desviaciones en la corriente. Desviaciones en la frecuencia. Dichos fenómenos pueden ser ocasionados por mala operación de los equipos, mal diseño del sistema de protecciones, exceso de cargas no lineales, errores en la maniobra de las subestaciones, puesta en marcha de nuevos equipos, cableado inapropiado, malas técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra, corrientes de corto circuito, descargas atmosféricas, conmutación de bancos de capacitores, balastos electrónicos, efecto de los variadores de frecuencia, funcionamiento de sistemas de potencia ininterrumpida (UPS), convertidores CA-CC, entre otros. Para entender mejor las causas de algunos de estos fenómenos en la siguiente sección se describen algunos fenómenos electromagnéticos, que explican porque se producen los problemas de calidad de energía a raíz de los factores antes mencionados. 9

20 2.3 Eventos electromagnéticos que producen problemas de calidad de energía En un sistema de potencia es muy común que se presenten eventos o fenómenos electromagnéticos que se deben a una serie de factores, como los mencionados en la sección anterior, y que se traducen en variaciones o fluctuaciones en la tensión, corriente o frecuencia del sistema de potencia. Es debido a estas variaciones que los usuarios detectan los mencionados problemas de calidad de energía responsables de causar malos funcionamientos de equipos y en algunos casos interrupción de procesos. En la tabla 2.1 se resumen los fenómenos electromagnéticos que se han estudiado debido a su presencia en los sistemas de potencia y algunas de sus características. Tabla 2.1 Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas de potencia. [1] Categorías Duración típica Magnitud típica de voltaje Nanosegundo < 50 ns Impulsivos Microsegundo 50 ns - 1 ms TRANSITORIOS Milisegundo > 1 ms Baja frecuencia 0,3-50 ms 0-4 pu Oscilatorios Media frecuencia 20 µs 0-8 pu Alta frecuencia 5 µs 0-4 pu Interrupciones 0,5-30 ciclos < 0,1 pu Instantáneas Sag 0,5-30 ciclos 0,1-0,9 pu Swell 0,5-30 ciclos 1,1-1,8 pu VARIACIONES Interrupciones 30 ciclos - 3 s < 0,1 pu DE CORTA Momentáneas Sag 30 ciclos - 3 s 0,1-0,9 pu DURACIÓN Swell 30 ciclos - 3 s 1,1-1,4 pu Interrupciones 3 s - 1 min < 0,1 pu Temporales Sag 3 s - 1 min 0,1-0,9 pu Swell 3 s - 1 min 1,1-1,2 pu VARIACIONES Interrupciones, sostenidas > 1 min 0,0 pu DE LARGA Bajas tensiones > 1 min 0,8-0,9 pu DURACIÓN Sobre tensiones > 1 min 1,1-1,2 pu DESBALANCE DE VOLTAJE Estado estable 0,5-2% DC offset Estado estable 0-0,1% DISTORCIÓN EN Armónicas Estado estable 0-20% LA FORMA DE ONDA Interarmónicas Estado estable 0-2% Notching Ruido Estado estable Estado estable 0-1% FLUCTUACIONES DE VOLTAJE intermitente 0,1-7% 0,2-2 Pst VARIACIONES EN LA FRECUENCIA < 10 s 10

21 A continuación se profundiza en algunos de los fenómenos electromagnéticos antes mencionados debido a que su efecto en la calidad de energía es de suma importancia en el desarrollo de este trabajo Transitorios El término transitorios se utiliza en el análisis de sistemas de potencia para referirse a un evento indeseable y momentáneo en la naturaleza. Se puede definir como un cambio súbito en el estado estable de la tensión, la corriente o una determinada carga, que se manifiesta como una variación en la forma de onda, cuya duración es una fracción del ciclo de la frecuencia natural. Los transitorios pueden clasificarse en dos categorías: impulsivos y oscilatorios Transitorio tipo impulso Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o ambas, que es unipolar. Los transitorios impulsivos se caracterizan por sus tiempos de elevación y caída, debido a que alcanzan altos valores de voltaje en periodos de tiempo muy cortos, pero su caída es más lenta y suave. La causa más común de este tipo de transitorios son las descargas atmosféricas. En la figura 2.1 se muestra un transitorio tipo impulso provocado por una descarga atmosférica. Figura 2.1 Transitorio impulsivo causado por una descarga atmosférica. [1] 11

22 Debido a las altas frecuencias involucradas, la forma de los transitorios impulsivos puede cambiar rápidamente por los componentes del circuito y puede presentar características significantemente diferentes al ser visto desde distintos puntos del sistema de potencia. Estos transitorios pueden excitar la frecuencia natural de los circuitos del sistema de potencia y provocar transitorios oscilatorios Transitorios tipo oscilatorios Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o ambas, que incluye las polaridades negativa y positiva. Consiste en voltajes o corrientes cuyos valores instantáneos cambian rápidamente. Los transitorios oscilatorios de altas frecuencias son aquellos cuya frecuencia primaria es mayor a 500 khz, su duración es de microsegundos y surgen como respuesta a transitorios tipo impulso en el sistema local. Los transitorios de media frecuencia son los que duran cerca de 20 microsegundos y cuya frecuencia primaria es de 5 a 500 KHz, surgen de energización de capacitores, conmutaciones de cables o como respuesta del sistema ante un transitorio impulsivo. En la figura 2.2 se muestra un transitorio debido a la conmutación de capacitores. Figura 2.2 Transitorio tipo oscilatorio de corriente causado por conmutación de capacitores. [1] 12

23 Los transitorios tipo oscilatorios de bajas frecuencias presentan frecuencias primarias menores a 5 khz y duraciones de milisegundos, este tipo de fenómenos son comunes en sistemas de subtransmisión y distribución y son causados por muchos tipos de eventos, el más común es la energización de bancos de capacitores, como el caso mostrado en la figura 2.3; también se asocian a energización de transformadores y ferroresonancia, este último caso se muestra en la figura 2.4. Figura 2.3 Transitorio tipo oscilatorio de baja frecuencia causado por la energización de un banco de capacitores, barra de tensión de 34.5kV. [1] Variaciones de tensión de larga duración Son variaciones rms en la frecuencia del sistema cuya duración es mayor a 1 minuto. Pueden ser sobre tensiones, bajas tensiones o interrupciones sostenidas, que por lo general son causadas por variaciones en las cargas del sistema y operaciones de conmutación en los sistemas Variaciones de tensión de corta duración Son interrupciones cortas, se clasifican en instantáneas, momentáneas o temporales, según su duración, son causadas por condiciones de falla, energización de cargas 13

24 grandes que requieren altas corrientes de inicio o a conexiones flojas en el cableado del sistema. Dependiendo de la localización de la falla y las condiciones del sistema, se pueden dar caídas de tensión de corta duración (sags), picos de tensión de corta duración (swells) o pérdida total de voltaje. Para minimizar o eliminar el efecto de este tipo de eventos, el sistema eléctrico debe poseer un sistema de aterrizamiento robusto Interrupciones Las interrupciones ocurren cuando el voltaje entregado o la corriente de la carga desminuye a menos de 0.1 pu por un periodo de tiempo menor a 1 minuto. [1] Pueden ser el resultado de fallas en los sistemas o equipos, y malfuncionamiento de controles. La magnitud del voltaje durante una interrupción es un 10% del voltaje nominal y su duración depende del tiempo de operación de los dispositivos de protección utilizados en el sistema Caídas de tensión de corta duración (sags) Un sag es una disminución entre 0.1 y 0.9 pu de la tensión o corriente rms a la frecuencia fundamental que dura entre 0.5 ciclos y 1 minuto. [1] Las caídas de corta duración de la tensión o sags se asocian con fallas en el sistema, energización de cargas pesadas o arranque de motores grandes. El tiempo para limpiar la falla depende de la magnitud de la corriente de falla y del tipo de protección de sobrecorriente. Como se muestra en la tabla 1 la duración de estas caídas de tensión se subdivide en tres categorías: instantáneas, momentáneas y temporales, se pretende que estas duraciones sean correspondientes a los tiempos de operación típicos de los dispositivos de protección y a las duraciones recomendadas por las normas y el NEC. En la figura 2.4 se muestra un ejemplo de sag de voltaje debido al arranque de motores. 14

25 Figura 2.4 Caída de tensión temporal debido al arranque de un motor. [1] Picos de tensión de corta duración (swells) Un swell se define como un incremento entre 1.1 y 1.8 pu en la tensión o en la corriente rms a la frecuencia fundamental y cuya duración es entre 0.5 ciclos y 1 minuto. [1] No son tan comunes como los sags, pero al igual que estos se deben a condiciones de falla en los sistemas, pueden suceder debido al aumento temporal en la tensión en una de las fases no falladas durante una falla de línea a tierra, este caso se ilustra en la figura 2.5. También ocurren al abrir un interruptor para sacar una carga pesada o al energizar bancos de capacitores grandes. Los swells se caracterizan por su magnitud y duración, la severidad del pico de tensión durante la falla es función de la localización de la falla, de la impedancia del sistema y del aterrizamiento del mismo. 15

26 Figura 2.5 Pico de tensión instantáneo provocado por una falla de línea a tierra. [1] Fluctuaciones en la tensión Las fluctuaciones en la tensión son una serie de cambios o variaciones aleatorias en la tensión, cuya magnitud normalmente no excede los rangos especificados por la norma ANSI C84.1 de 0.9 a 1.1 pu. [1] Las cargas que exhiben variaciones rápidas y continuas en la magnitud de la corriente de la carga, pueden provocar fluctuaciones rápidas en la tensión, conocidas como flickers o parpadeos de la luz percibidas por el ojo humano. La señal de estos parpadeos se define según su valor rms como un porcentaje de la señal fundamental y son medidos con respecto a la sensibilidad del ojo humano. Las causas más comunes de fluctuaciones en la tensión en sistemas de transmisión y distribución son los arcos eléctricos debidos a sobrecalentamientos. En la figura 2.6 se muestra un ejemplo de este tipo de fenómenos. 16

27 Figura 2.6 Fluctuación en la tensión causada por arcos eléctricos debidos a sobrecalentamientos. [1] 17

28 CAPÍTULO 3: Sistemas de Aterrizamiento Un sistema de aterrizamiento es el conjunto de cables, varillas y demás conductores interconectados que proporcionan una referencia adecuada para todas las tensiones del sistema y un retorno seguro y de baja impedancia para las corrientes de falla o de desbalance. Los sistemas de aterrizamiento se ubican en un medio conductivo como lo es el suelo. Los principales requisitos con los que debe contar un sistema de puesta a tierra son los siguientes: Protección de las personas expuestas a corrientes de falla que se puedan presentar en la instalación. Adecuada operación de las protecciones del sistema. Referencia estable para las tensiones y trayecto seguro de retorno para las corrientes de desbalance. Valor de resistencia adecuado según el tipo de instalación. Resistencia poco variable debido a cambios ambientales. Vida útil de al menos 20 años. Alta conductividad y disipación de corriente. Minimización de ruidos eléctricos. Conformado por elementos no corrosivos. Costo económico debidamente proporcional a la protección del sistema. Fácil mantenimiento y medición. Cumplimiento de normas y especificaciones. El NEC establece que un trayecto a tierra efectivo debe cumplir con los siguientes puntos: Ser permanente y continuo. 18

29 Ser capaz de conducir de manera segura cualquier corriente de falla que se presente en el sistema. Presentar impedancia lo suficientemente baja para limitar el voltaje a tierra y facilitar la operación de los dispositivos de protección en el circuito. Control de todo tipo de transitorios presentes en el sistema para minimizar problemas de calidad de energía. 3.1 Importancia de los sistemas de puesta a tierra Existen varias razones por las que es de suma importancia que un sistema eléctrico cuente con un adecuado sistema de aterrizamiento, entre estas se encuentran la protección de las personas y dispositivos, balance de los sistemas eléctricos y proporcionar un punto al cual referir todas las corrientes y tensiones de dicho sistema. La razón más importante por la que existen los sistemas de puesta a tierra es la seguridad de las personas, por lo tanto se deben diseñar de manera que prevengan la posibilidad de altas tensiones de toque en superficies metálicas ante fallas en equipos. La tensión de toque es la diferencia de potencial entre una estructura metálica expuesta y un punto a un metro en la superficie del suelo [7]. Tomando esto en consideración toda carga eléctrica y superficie metálica debe estar conectada a tierra. Otra razón de suma importancia por la que deben existir sistemas de puesta a tierra en toda instalación eléctrica es para asegurar que los dispositivos de protección operen de manera adecuada, una práctica de diseño para garantizar seguridad es proveer un retorno al punto donde la fuente de alimentación está aterrizada. De esta forma se garantiza que al ocurrir una falla en el aislamiento o cualquier otro tipo de falla que provoque contacto entre una fase y alguna carcasa, exista un camino de baja impedancia 19

30 de retorno al neutro de la fuente de alimentación. Debido a la sobre corriente resultante el interruptor o fusible actúa y desconecta el circuito fallado rápidamente. En cuanto a calidad de energía es de suma importancia que los sistemas cuenten con un sistema de puesta a tierra adecuado, esto principalmente para garantizar una referencia equipotencial a todas las señales presentes, ya que diferencias de potencial entre referencias de distintos circuitos provoca daños en aislamientos, corrientes circulantes en cables de baja tensión, e interferencia con equipos sensibles. Actualmente la mayoría de los procesos se controlan mediante dispositivos sumamente sensibles a variaciones en la tensión, corriente y frecuencia del sistema, tales como los fenómenos mencionados en la sección 2.3 y que presentan malfuncionamiento o fallas ante pequeñas fluctuaciones en dichos parámetros, por esto garantizar una puesta a tierra adecuada y con esto mejor calidad de energía en el sistema es vital para llevar a cabo de manera efectiva los procesos. 3.2 Problemas típicos relacionados con los sistemas de puesta a tierra Muchos de los problemas relacionados con calidad de energía en un sistema eléctrico se deben a cableados y aterrizamientos inadecuados, algunos de estos problemas se pueden detectar por simple observación, otros de estos requieren de mediciones voltajes, corrientes o impedancias en los circuitos para ser determinados. A continuación se resumen algunos de estos problemas y sus posibles causas Problemas con conductores y conectores Los problemas con conductores o conectores se dan principalmente en la acometida del sistema, en el tablero principal y en los subtableros principales, una mala conexión como lo son las conexiones falladas, flojas o resistivas, se traduce en calentamiento, posibilidad de arqueos y quemas de aislantes. 20

31 3.2.2 Ausencia de puesta a tierra de protección Al ocurrir una falla en un equipo que no se encuentre aterrizado, es posible que se provoque un potencial en las superficies del equipo sin que las protecciones actúen, lo que hace peligroso el contacto con dichas superficies Múltiples conexiones de tierra a neutro Según lo estipulado por el NEC la única conexión entre el neutro y la tierra debe ser en la acometida del sistema, a menos que exista un sistema derivado y totalmente separado. El neutro y la tierra deben mantenerse separados en todos los tableros del sistema, si no se cumple con este requisito se provocan caminos paralelos para el retorno de las corrientes, siendo uno de estos retornos el circuito de puesta a tierra, con esto se provoca mala operación de protecciones ya que durante una falla la corriente fluye a través de la tierra y el neutro, sin alcanzar el valor de disparo de las protecciones, poniendo en riesgo la seguridad de las personas Varillas adicionales a tierra Las varillas a tierra deben ser parte del sistema de aterrizamiento de la instalación y deben estar conectadas donde todos los electrodos de tierra están unidos, múltiples varillas a tierra pueden estar unidas en la acometida para reducir la resistencia total a tierra. A los equipos electrónicos sensibles se les puede instalar una tierra aislada, siempre y cuando esta no represente una nueva referencia para el equipo en cuestión. Al existir varillas a tierra adicionales se presenta uno de los problemas de calidad de energía más importantes, debido a que estas provocan trayectos adicionales al flujo de corrientes debidas a descargas atmosféricas y desbalances. De esta manera, si las varillas a tierra están conectadas a la acometida, cualquier corriente debida a descargas atmosféricas y desbalances presentes en la instalación fluyen a tierra en dicho punto y el potencial de toda la instalación aumenta en igual medida. Mientras que si existen 21

32 varillas adicionales, las corrientes debidas a descargas atmosféricas fluyen a través del cableado del sistema hasta las varillas adicionales a tierra, provocando posibles transitorios de voltaje que afectan el funcionamiento de equipos y problemas de sobrecarga que calientan los conductores Lazos de tierra Los lazos o bucles de tierra son uno de los problemas de aterrizamiento más comunes y dañinos en industrias y comercios que poseen equipos de procesamiento de información y de comunicación. Se presentan cuando los cables a tierra de dos dispositivos utilizan distintos trayectos y un cable de comunicación entre dichos dispositivos proporciona otra conexión a tierra entre ellos, se produce una leve diferencia de potencial entre los dos sistemas de aterrizamiento que puede provocar corrientes circulantes en el lazo formado. Aún magnitudes muy bajas de corriente circulante provocan serios problemas de armónicas. Las soluciones son utilizar acoples ópticos en las líneas de comunicación para así eliminar los lazos a tierra y lograr aislamiento adecuado para soportar los transitorios de sobre voltaje, también es recomendable la instalación de pararrayos Dimensionamiento del neutro Las cargas no lineales como los balastos provocan una gran cantidad de contenido de tercera armónica en los sistemas de potencia y en estos casos es muy importante el dimensionamiento del neutro del sistema de alimentación. Las corrientes de tercera armónica en un sistema balanceado aparecen en la secuencia cero del circuito, esto quiere decir que las corrientes de tercera armónica de cada fase se van a sumar en el neutro, en vez de cancelarse como sucede en el caso de corrientes a 60 Hz. Por lo general en presencia de cargas no lineales el neutro debe dimensionarse en el ámbito de 140% a 170% de la magnitud de la corriente a la frecuencia fundamental de cada fase. 22

33 3.3 Soluciones a problemas en sistemas de puesta a tierra A continuación se resumen las principales prácticas mediante las cuales es posible reducir o solucionar los problemas típicos en sistemas de puesta a tierra Resistencia del electrodo a tierra Posee tres componentes: 1. Resistencia propia del electrodo, debido a la conexión física del cable de tierra de la instalación y el electrodo de aterrizamiento. 2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo, se ha determinado que se puede despreciar si el electrodo no posee pintura, grasa o algún otro tipo de capa, y si la tierra es compacta y firme. 3. Resistencia debida a la resistividad del terreno en las vecindades del electrodo, esta depende del tipo de suelo y de la humedad del mismo. Se busca que la puesta a tierra sea un camino de baja impedancia atractivo a las corrientes de falla. La resistencia del electrodo a tierra es importante debido a su influencia en los niveles de los transitorios electromagnéticos durante la acción de interruptores y descargas atmosféricas. Lo que sucede es que las altas corrientes durante las descargas atmosféricas provocan un voltaje a través de la resistencia elevando la referencia de la instalación completa, la diferencia de voltaje entre la referencia y la tierra real provoca potenciales de toque peligrosos en ciertos puntos de la instalación Conexiones adecuadas en la acometida del sistema Los componentes más importantes de un sistema de puesta a tierra adecuado están ubicados en la acometida del mismo. En todo el sistema se debe garantizar una tierra segura que inicia en la acometida y recorre todo el sistema, esta debe mantener todos los conductores con los que se pueda estar en contacto a igual potencial, proporcionar un trayecto de retorno de corrientes de falla al punto donde el neutro de la fuente de 23

34 alimentación está aterrizado. A continuación se resumen los principales puntos de conexión en la acometida: Conexión del punto neutro del sistema de alimentación y el cable de aterrizamiento. Único lugar del sistema donde se conecta el electrodo de tierra y el cable de tierra través de un conector. Punto de conexión de todos los electrodos a tierra presentes en el sistema Conexiones correctas en el tablero principal El tablero principal es el punto en el sistema donde los circuitos ramales son suplidos por los circuitos alimentadores provenientes de la acometida, por lo tanto en este se conecta el neutro del circuito ramal con el neutro del circuito alimentador, pero no debe existir conexión entre el neutro y tierra, según lo indicado en el NEC Instalación de una tierra aislada En algunas ocasiones la calidad de energía suplida a cargas sensitivas puede mejorarse instalando una tierra aislada a la carga, esto se realiza mediante toma corrientes de tierras aisladas, solamente unido al cable de tierra del alimentador. Se requieren cuidadosas prácticas de cableado para evitar conexiones accidentales entre la tierra aislada y la tierra de seguridad del todo el sistema Derivaciones aisladas del sistema de potencia Las derivaciones de sistemas separados poseen una referencia a tierra que es independiente de los otros sistemas, el punto en el sistema donde se define la nueva referencia a tierra es como otra acometida donde se unen el neutro del sistema con el cable de tierra mediante un conector. Este tipo de derivación de sistemas separados es utilizado para proporcionar una referencia a tierra local para cargas sensibles, dicha referencia presenta una gran reducción en los niveles de contenido armónico si se utiliza 24

35 un transformador de aislamiento para suplir el sistema separado, además se reduce la magnitud de las corrientes armónicas del sistema completo Referencia de señales Los sistemas de aterrizamiento proporcionan una referencia para el intercambio de señales entre los circuitos de comunicación o control en la instalación. La característica principal de la tierra como referencia de señales es que debe poseer una baja impedancia dentro de un gran ámbito de frecuencias, esto se logra utilizando un calibre adecuado para el cable de tierra. Para reducir problemas de calidad de energía el cable a tierra debe ser al menos del mismo tamaño de los conductores de fase y el neutro. Conforme la frecuencia aumenta, la longitud de onda se reduce al grado de provocar resonancia en longitudes cortas de cable; para proporcionarles a los equipos sensibles una referencia a tierra que sea efectiva dentro de un ámbito de frecuencias de 0 a 30 MHz, se utiliza una malla de forma rectangular de varillas de cobre de referencia a señales [1]. De esta manera aún cuando una porción se encuentre en resonancia siempre habrá otras que no están en resonancia debido a los múltiples caminos disponibles para el flujo de corrientes. En la siguiente figura se muestra el efecto de la malla de referencia en la impedancia a tierra. Figura 3.1 Efecto de la malla de referencia a señales en la impedancia a tierra. [1] 25

36 3.3.7 Otras recomendaciones Utilizar circuitos ramales independientes para alimentar equipos sensibles, estos proporcionan buen aislamiento para transitorios de altas frecuencias y ruido. Los conductos no deben ser nunca el aterrizamiento de equipos sensibles, debido a que las corrientes circulantes por estos ductos pueden causar interferencia a señales electrónicas y de comunicación. Además que es difícil garantizar la continuidad eléctrica en los ductos. Los cables a tierra deben ser del mismo calibre que los conductores de corriente. 3.4 Técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra Resistividad del suelo Al diseñar un sistema de puesta a tierra se debe determinar en primera instancia la resistividad del suelo en el cual se ubicarán los componentes que conforman el sistema de aterrizamiento en cuestión, debido a que las características del suelo que rodean de forma inmediata el electrodo de aterrizamiento influyen fuertemente en las estructuras a tierra. La resistividad se considera el parámetro más importante en el diseño y correcto desempeño de los sistemas de aterrizamiento. La resistividad es medida en Ohms por metro (Ω-m) y es equivalente a la resistencia que ofrece al paso de corriente un cubo de terreno de 1m de arista. Este parámetro varía de acuerdo con la composición química y conformación física del suelo, por esto en la mayoría de los casos es necesario representarla mediante modelos de dos o más capas, los métodos de dos capas son los más precisos. En la tabla 1 se indican los tipos de terreno desde el punto de vista del aterrizamiento de sistemas, por lo tanto dependen de la resistividad media del suelo. 26

37 Tabla 3.1 Valores medios de la resistividad del suelo [7] Naturaleza del terreno Resistividad media (Ω-m) Tipo Suelo orgánico, cultivable Bajo Arcilloso, semiárido Medio Pedregoso, arenoso, árido > 1000 Alto Método de Wenner El método de Wenner es el método más recomendado para la determinación de la resistividad del terreno en el cual se desea ubicar los electrodos del sistema de aterrizamiento, tal como se muestra en la figura 3.2. Este método consiste en ubicar cuatro electrodos en el suelo de forma lineal y a igual separación unos de otros, esta separación se debe variar de manera uniforme hasta cubrir todo el terreno a analizar, de esta manera se toman una serie de mediciones, a través de un instrumento digital, con las cuales se determina la cantidad y profundidad de capas presentes en el suelo en cuestión. Figura 3.2 Arreglo de electrodos para el Método de Wenner. [20] La función de los dos electrodos de los extremos es inyección de corriente y la función de los electrodos centrales es medición de la tensión en esos puntos, mediante estos dos parámetros es posible determinar la resistencia aparente del suelo a través de la cual se calcula la resistividad correspondiente. 27

38 La separación de los electrodos se relaciona con la profundidad de penetración de las líneas de corriente, una distancia de separación típica para realizar la primera medición es de 0.5m en línea recta, continuando la separación hasta cubrir el área disponible para localizar el sistema de puesta a tierra. La profundidad de penetración de los electrodos debe ser menor a un 10% de la distancia de separación entre electrodos adyacentes. Al inyectar corriente a través de los electrodos exteriores y medir la tensión correspondiente mediante los electrodos internos, se calcula la resistividad aparente, que es el promedio de la resistividad del suelo hasta una profundidad proporcional a la separación entre los electrodos y se expresa mediante la siguiente ecuación. V ρ a = α (3.1) I Donde ρ a es la resistividad aparente del suelo, V es el potencial superficial de la tierra, I es la corriente inyectada por los electrodos exteriores y α es el factor de proporcionalidad entre V e I, llamada factor geométrico, este factor se expresa mediante: α = 2 π a (3.2) Donde a es la separación entre electrodos. Sustituyendo (3.2) en (3.1) se obtiene una nueva expresión para la resistividad aparente en función de la corriente inyectada, el potencial superficial obtenido y la separación entre electrodos. V ρ a = 2 π a (3.3) I Con la ecuación (3.3) se calculan las resistividades correspondientes a las distintas mediciones tomadas al variar la separación entre electrodos. Si el valor de la resistividad no varía mucho el suelo se considera uniforme en caso contrario es no uniforme y se deben analizar las capas necesarias. 28