Introducción. Palabras clave: Mallas de puesta a tierra, tensión de toque, tensión de paso, método IEEE 80, Elementos Finitos, Etap.

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2 Evaluación del diseño de una Malla de Puesta a Tierra para la Subestación Churuyaco mediante la metodología IEEE 80 y Elementos Finitos empleando el software ETAP El presente articulo busca realizar la comparación de los resultados obtenidos en la evaluación de una malla de puesta a tierra mediante el método IEEE 80 y Elementos Finitos en el software Etap, esta comparación se llevó a cabo en la malla de puesta a tierra de la subestación Churuyaco 230/34,5 kv. Se planteó una metodología de comparación para el caso de estudio propuesto, integrando los aplicativos del módulo de flujo de carga y cortocircuito al módulo de mallas de puesta a tierra. En ella se describen principalmente los aspectos a tener en cuenta en el diseño de una malla y la especificación de los parámetros asociados para el modelado de la misma en ETAP. Palabras clave: Mallas de puesta a tierra, tensión de toque, tensión de paso, método IEEE 80, Elementos Finitos, Etap. This paper seeks to make the comparison of the results obtained in the evaluation of an earthing grid by the method IEEE 80 and Finite Element Etap software, this comparison was carried out on the ground grid substation Churuyaco 230/34, 5 kv. It raised a comparison methodology for the case study proposed, integrating module applications load flow and short circuit to module grounding grids. It describes main aspects to consider in the design of a grid and the specification of the associated parameters for modeling the same in Etap. Key words: Ground Grid, Touch Voltage, Step Voltage, Method IEEE 80, Finite Elements, Etap. Introducción Este artículo realiza la comparación entre los resultados obtenidos en el diseño de una malla de puesta a tierra empleando dos metodologías: IEEE-80 y Elementos Finitos. Al presentarse corrientes de falla en una subestación, suelen aparecer diferencias de potencial las cuales pueden ser discriminadas si se presentan entre las extremidades de la persona (voltajes de paso), o entre la persona y cualquier equipo metálico del sistema (voltajes de toque). La malla de puesta a tierra busca reducir dichas diferencias de potencial para suministrar protección al personal y a los distintos equipos, dentro o fuera de la subestación. Los propósitos de la malla de puesta a tierra para efectos del presente documento serán [4]: - Garantizar la seguridad de las personas y animales. - Proteger las instalaciones y los equipos. - Proporcionar un medio para disipar corrientes a tierra bajo condiciones normales o de falla. Con el objetivo de desarrollar la comparación propuesta, se plantea como caso de estudio el diseño de la malla de puesta a tierra de la subestación Churuyaco, la cual para ambas metodologías de diseño se evaluará empleando la corriente de cortocircuito obtenida directamente sobre el diagrama unifilar modelado en Etap. 76 6

3 / Noviembre de 2013 Metodología de Comparación Propuesta La Figura 1 ilustra la metodología a emplear en el caso de estudio, en la que se hace necesario ejecutar un análisis de flujo de carga para la validación del modelo. Consiguientemente se realiza el diseño de la malla de puesta tierra empleando el método IEEE y Elementos Finitos, validando posteriormente su diseño de acuerdo con la corriente de falla obtenida en el análisis de cortocircuito del Software Etap. Diagrama Unifilar Ingreso de Parámetro Análisis de Flujo de Carga Valoración del Análisis Diagrama Unifilar El oleoducto Transandino ha demandado una mayor potencia en los últimos años, Ecopetrol para el 2011 solicita a la UPME la conexión de nuevas cargas en alta tensión al STN. Las cargas aproximadas son de 18MW para el departamento de Nariño y 61MW en el departamento de Putumayo [1]. En el caso de la Zona del Putumayo la UPME define mediante la convocatoria 01 del 2005 las obras asociadas a la expansión definida de la línea 230 kv desde la subestación Mocoa hacia Orito, de Orito a Churucayo, y Gamuez incluyendo la instalación de compensación dinámica o SVC para la subestación Churuyaco 230kV/34,5kV. El diagrama unifilar aquí presentado corresponde a la topología mencionada anteriormente y consignada en el Plan de Referencia de Expansión de Generación y Transmisión por parte de la UPME [1]. El valor de Cortocircuito en la red se definió de acuerdo a la tabla Nivel de Cortocircuito del STN consignada en el documento ya mencionado. En este caso de estudio las cargas concentradas ilustradas en la Figura 2 son modeladas con 80% de potencia constante y 20% de impedancia constante con un factor de potencia de 90%. MOCOA 50 MVAsc Diseño de la Malla de Puesta a Tierra ORITO 230 kv Método IEEE Análisis de Cortocircuito ground Grid Systems Analysis Método E.F. CHURUYACO 230 kv CHURUYACO_BAJA 34,5 kv GUAMUEZ 34,5 kv BUS_CARGA_ORITO 17,5 MVA ORITO1 TR_CHUR_GUAG_11 60 MVA BUS_CARGA_CHURUYACO Comparación de Resultados GUAMUEZ_1 5 MVA CHURUYACO_1 30 MVA Figura 1. Diagrama de Flujo Metodología de Comparación. Figura 2. Diagrama Unifilar del Caso de Estudio. 77

4 Evaluación del diseño de una Malla de Puesta a Tierra para la Subestación Churuyaco mediante la metodología IEEE 80 y Elementos Finitos empleando el software ETAP Análisis de Flujo de Carga Los resultados del análisis de flujo de carga del sistema de potencia son consignados en la Tabla 1, en la que se aprecian caídas de tensión considerables en las subestaciones Bus Carga Churuyaco y Guamez, las cuales se debe en gran parte por la importante potencia eléctrica demanda y la longitud de la línea de transmisión. Corriente máxima de la malla (Ig): La evaluación de la máxima corriente que recorre los elementos de la subestación hasta tierra. Duración de falla (Tf, Tc) y duración tiempo de choque eléctrico (Ts): Estos valores dependen de la definición de los criterios de diseño. La selección de Tf, se realiza para estimar el valor del factor de decaimiento que tiene en cuenta la componente en DC de la corriente de falla; la selección de Tc, estima el calibre de los conductores; y finalmente la duración Ts, es el tiempo de exposición máxima para el personal de la subestación. Tabla 1. Resultados del análisis de flujo de carga. La franja amarilla ilustra la zona de influencia de la malla de puesta a tierra, la cual deberá cumplir con algunos criterios de diseño descritos a continuación. Criterios de Diseño [4] El caso de estudio involucra una malla de puesta a tierra para subestaciones de alta tensión. La malla deberá cumplir con la corriente de corto máxima, en el lado de baja; calculada de acuerdo a la norma IEC [2]; además deberá tener una resistencia efectiva en el terreno no mayor a 1Ω, siendo este un valor recomendado por El RETIE [5]. La malla de puesta a tierra debe estar comprendida por conductores mayores 1/0 AWG de acuerdo con la normatividad colombiana [3], y ubicados de forma paralela con una separación entre 3m y 15m; con bajantes conectados directamente a los equipos de patio, formando una malla. Las varillas típicamente son de cobre con un diámetro de 5/8 de pulgada, enterradas como mínimo entre 0,3 y 0,5 m; estos elementos buscan disipar de forma efectiva las corrientes de falla en el suelo a una mayor profundidad ya que la resistencia de las capas superficiales generalmente es mayor. La instalación deberá abarcar la mayor área posible, para una menor resistencia y menor relación GPR (Ground Potential Rise). Algunos factores que determinan el diseño de la malla de puesta a tierra y que dependen del sistema eléctrico son los siguientes: Resistividad del suelo (): la resistencia de la malla y los gradientes de voltajes son directamente dependientes de la resistividad del suelo. Este parámetro asocia tanto la profundidad del terreno como el área transversal del mismo. Resistividad de la capa superficial (): Una capa de material especial (preferiblemente triturado de cantera) ayuda a limitar la corriente que puede afectar el personal, añadiendo resistencia entre los pies y el terreno. Los criterios técnicos asociados a la construcción de la malla de puesta a tierra se exponen en la Tabla 2. En la Figura 3 se ilustra la disposición física de la misma. Parámetro Valor Área de la Malla 96 x72 m 2 Resistividad del terreno 130 Ω-m Resistividad gravilla 3000 Ω -m Espesor capa de gravilla 600 mm Temperatura ambiente 30 C Máxima 450 C temperatura permitida Máxima corriente 5,13 ka de falla a tierra Calibre del conductor 2/0 AWG Duración de falla máxima (tf) 0,02 s Duración de falla máxima para los conductores (tc) 1 s 78 6

5 / Noviembre de 2013 Tiempo de Exposición (Ts) Separación de los conductores paralelos 0,5 s 4,8 m Número de conductores Eje X 13 Número de conductores Eje Y 10 Profundidad de la Malla 0,6 m Numero de Varillas 42 Calibre de las varillas 5/8 Longitud de las varillas 2,4 m Tabla 2. Parámetros eléctricos y geométricos de la malla. cable que se utilizará para formar las retículas, dimensiones de las varillas Cooper Weld, la distribución de las varillas sobre la malla, entre otras. Adicionalmente dentro del módulo de Ground Grid Systems (GGS) en ETAP se puede establecer los costos correspondientes al cable y las varillas, para estimar el costo total aproximado de dicha instalación. Análisis de Cortocircuito En la Tabla 3 se consignan los resultados del análisis de cortocircuito para una falla monofásica, la cual puede emplearse directamente en la evaluación de la malla de puesta a tierra, de acuerdo a las configuraciones de estudio realizadas en el módulo GGS de Etap. Figura 3. Disposición física de la malla. Modelado de la Malla de Puesta a Tierra Método IEEE El diseño, el modelado y simulación de un sistema de puesta a tierra es un aspecto crítico para la seguridad de un sistema eléctrico. Etap tiene la capacidad de realizar estudios de flujo de carga, cortocircuito y asociar los mismos con la evaluación directa en el módulo de GGS, lo que permite realizar correcciones, validar y comprobar la metodología matemática a emplear, para este caso se realizará a partir de la norma IEEE 80 [4]. El modelo que ha de ser representado en ETAP de la malla de puesta a tierra requiere de los datos correspondientes a los parámetros eléctricos y físicos de la malla, los cuales se definieron en la Tabla 2. Entre estos se incluye: la construcción geométrica de la malla, las dimensiones longitudinales, la profundidad de la malla; los materiales que han de componer la malla, el BUS ID BUS CARGA CHURUYACO Icc 1f X/R (ka) 2,356 8,90 BUS CARGA ORITO 0,339 10,25 CHURUYACO 0,316 10,08 CHURUYACO BAJA 4,794 12,77 GUAMUEZ 1,168 8,85 ORITO 0,344 10,29 Tabla 3. Resultados del análisis de cortocircuito. Resultados del Análisis de Mallas de Puesta a Tierra-Método IEEE De acuerdo con la Tabla 4, las tensiones de paso y de toque calculados están por debajo de las tensiones de toque y de paso admisibles, por lo tanto la malla cumple técnicamente con los requerimientos necesarios para la protección del personal y equipos de una subestación ante condiciones de falla. Rg GPR Potencial de Toque Ω (Ohm) V Tolerable Calculado Potencial de Paso Tolerable Calculado 0, , ,1 2919,8 484,2 Tabla 4. Tensiones de la malla. 79

6 Evaluación del diseño de una Malla de Puesta a Tierra para la Subestación Churuyaco mediante la metodología IEEE 80 y Elementos Finitos empleando el software ETAP Modelado de la Malla de Puesta a Tierra Método Elementos Finitos Para el modelado de la malla a tierra por medio de este método en el Software Etap, es necesario especificar las coordenadas para la ubicación de cada varilla sobre la malla. Al evaluar las condiciones técnicas de la malla, se obtienen los resultados de la Tabla 5. Ω (Ohm) Rg V GPR Tolerable Potencial de Toque Calculado Tolerable Potencial de Paso Calculado 0, , ,8 474,3 Tabla 5. Tensiones de la malla. Comparación y Análisis de Resultados La Tabla 6 compara los resultados obtenidos del caso de estudio propuesto al diseñar la malla de puesta a tierra por el método de la IEEE 80 y Elementos Finitos. Como se evidencia en la tabla anterior, la variación de los resultados es menor al 10%, por ende, es seguro evaluar un diseño de puesta a tierra empleando la metodología con Elementos Finitos. Sin embargo, en la Tabla 5 se observa que al realizar la evaluación del diseño de la malla de puesta a tierra por medio de este método, la malla supera el voltaje de toque tolerable, incumpliendo de esta manera el requerimiento técnico (Potencial de toque calculado menor al Potencial de toque admisible). Aunque los resultados de la evaluación de la malla por medio del método IEEE 80 y Elementos Finitos presentan un mínimo porcentaje de desviación, la viabilidad técnica de la misma resulta ser contradictoria en este caso en particular. Es importante recalcar que el parámetro de mayor preocupación en la malla es la tensión de toque, pues ésta es a la el personal y equipos que se expone directamente al presentarse una condición de falla. A pesar de lo anterior, el diseño de la malla es aceptable de acuerdo al método de la IEEE 80, la cual es adoptada en la normatividad colombiana [3]. Conclusiones Las dos metodologías empleadas en este artículo son factibles para la evaluación técnica del diseño de una malla de puesta a tierra, sin embargo esta comparación fue posible de llevarse a cabo debido a que el método de la IEEE puede extenderse a un tipo de geometría particular de la malla, mientras que el método de elementos finitos es empleado generalmente para geometrías que no están descritas dentro de la norma IEEE 80, por lo tanto fue conveniente escoger una geometría uniforme para el caso de estudio propuesto. Es criterio de cada Ingeniero de diseño seleccionar el método de evaluación de la malla de puesta a tierra, para lo cual ETAP brinda una valiosa herramienta de validación, no obstante, es recomendable acoger la normatividad de cada país al momento de tomar decisiones respecto a la malla. El presente artículo muestra el desarrollo de la metodología, los parámetros y los resultados para un caso de estudio aplicado a la realidad. La simulación en ETAP permite corroborar los resultados de las metodologías empleadas en el caso de estudio. Las librerías, la compatibilidad de los distintos módulos de Etap, entre otros; permiten obtener un diseño adecuado e incluso la optimización misma de la malla. La metodología y simulación de la malla de puesta a tierra, brinda seguridad al personal de la subestación para realizar labores de maniobra, mantenimiento, instalación entre otras. De esta forma el diseño y la simulación de la malla en ETAP cumplen con la normatividad local como RETIE, artículo 15 [3], y el estándar IEEE 80 [4]. 80 6

7 / Noviembre de 2013 Referencias libro Guía para el Análisis de Estabilidad en Sistemas de Potencia: Guía para Estudios de Estabilidad Transitoria y de Pequeña Señal en el Software de Simulación Neplan (Spanish Edition) en la Librería Editorial Académica Española Dubweiler Landstr Germany 2011, Coautor del Libro Análisis de Confiabilidad Usando el software etap (Spanish Edition) en la Librería Editorial Académica Española Dubweiler Landstr Germany 2012 y Coautor del Libro Simulación y Análisis de Redes Subterranenas Usando el Software etap (Spanish Edition) en la Librería Editorial Académica Española Dubweiler Landstr Germany 2012, Publicación de algunos Artículos Técnicos. Actualmente trabaja en Potencia y Tecnologías Incorporadas S.A en el cual se desempeña como Ingeniero de Ventas y Soporte Técnico etap - Proyectos y Consultoría para Colombia y parte de Latinoamérica (Panamá y Bolivia). rafaelfranco@pti-sa.com.co rafaelfranco@ingenieros.com [1] UPME. Unidad de Planeación Minero Energética. Plan de Expansión de Referencia, GeneraciónTransmisión Octubre del [2] Internation Electrotechnical Comission IEC. Short Circuit Currents in three phase in A.C. systems. Segunda Edición [3] Republica de Colombia, Ministerio de Minas y Energía. Reglamento Técnico de Instalaciones eléctricas- RETIE. Expedido mediante Resolución el 6 de Agosto del [4] IEEE Power Engineers Society. IEEE Standard 80 Guide for safety in AC Substation Grounding. 30 de Enero del Reseña Autores Carlos Hernán Campo Valencia Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle, Ingeniero de Estudios y Soporte Técnico ETAP en Potencia y Tecnologías Incorporadas S.A. Cali, Colombia. carlos.campo@pti-sa.com.co. Rafael Franco Manrique Ingeniero Electricista y Tecnólogo en Electrónica orientado a los sistemas de potencia, Posgrado en Sistemas de Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica en la Universidad del Valle Con certificación ETAP 115, ETAP 215 Y ETAP 184 en Operation Technology, INC (OTI) 2009,2010 y 2013 respectivamente en Irvine California, con experiencia en Sistemas de Potencia, Instalaciones Eléctricas y Docencia. Publicación del Daniel Riascos Uribe Estudiante en Práctica Software Etap en Potencias y Tecnologías Incorporadas S.A Bogotá, Colombia. de.riascos2718@uniandes.edu.co 81

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