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 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A. (CNFL) Por: Hanzel Elizondo Vega Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2007

2 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A. (CNFL) Por: Hanzel Elizondo Vega 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 M.Sc. José Alberto Salazar Ramírez Profesor lector Ing. Luis Fernando Andrés Jácome Profesor lector ii

3 DEDICATORIA Quiero dedicar este trabajo a mis padres, quienes siempre depositaron su fe en mí y han sido la fuente de apoyo para salir adelante con mis metas. iii

4 RECONOCIMIENTOS Quiero proporcionar un sincero agradecimiento al Ing. Luis Fernando Andrés J. por su colaboración, tiempo y recomendaciones brindadas y por abrir las puertas del Departamento de Planificación y Diseño de la CNFL. También brindo las gracias, de manera muy especial, a todo el personal de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz que siempre estuvieron atentos a colaborar de distintas maneras con la información y trabajo realizado para la elaboración de este proyecto. A todos los profesores de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, gracias por poner a disposición sus conocimientos y experiencias a beneficio de nuestra formación profesional. Finalmente, quiero agradecer a todas aquellas personas que me rodean, por el apoyo y las palabras de aliento que en su preciso momento fueron dadas. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS... vii ÍNDICE DE TABLAS...x NOMENCLATURA...xiv RESUMEN... xvii CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología Definiciones... 4 CAPÍTULO 2: Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A Área de Generación Área de Distribución Área de Comercialización Área de Estudio Sistema de información geográfico (SIG) Tipo de información Funciones de un SIG Índices de calidad CAPÍTULO 3: Resistividad de los suelos Resistividades características de los suelos Factores que afectan la resistividad del suelo Método para medir la resistividad del terreno Interpretación de medidas de resistividad Método general Método gráfico Equipo CAPÍTULO 4: Resistencia de puesta a tierra Valores recomendados de resistencia de puesta a tierra Método de medición de puesta a tierra por caída de potencial Gradientes de potencial Método del 62% Prueba de continuidad Medida de puesta a tierra sobre pavimentos o suelos de concreto Medida de puesta a tierra mediante medidor tipo pinza Efecto de las dimensiones del electrodo de puesta a tierra Diseño de puesta a tierra v

6 CAPÍTULO 5: Resistencia de puesta a tierra en subestaciones Subestación Reductora La Caja Subestación Reductora Lindora Subestación Reductora Escazú CAPÍTULO 6: Valores de resistividad y diseño de puesta a tierra Circuito Brasil - Ventanas Circuito Brasil-Reforma Circuito La Caja-Industrias Circuito La Caja-Calle Rusia Circuito Electriona-Montana Circuito Electriona-Potrerillos Circuito Electriona-Scott Circuito Belén-Asunción Circuito Belén-Fábricas Circuito Lindora-Guácima Circuito Lindora-Ojo de Agua Circuito Lindora-Brasil Circuito Lindora-Hondura Circuito Lindora-Radial Circuito Escazú-Piedades Circuito Escazú-Guachipelín Circuito Escazú-Santa Ana Sur Circuito Escazú-Santa Ana Norte CAPÍTULO 7: Análisis de datos Análisis estadístico Análisis teórico Análisis económico Implementación de datos en SIG CAPÍTULO 8: Conclusiones y recomendaciones BIBLIOGRAFÍA APÉNDICE AP1 Mediciones Circuito Guácima ANEXOS AN1 Resumen de los métodos de medición de RPT AN2 - Hoja de datos para el método de caída de potencial AN3 - Resumen de fuentes de riesgos eléctricos vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1: Área servida por la CNFL en el territorio nacional... 7 Figura 2.2: Sectores de demanda energética de la CNFL... 8 Figura 2.3: Área servida por la CNFL: por cantones y división distrital... 9 Figura 2.4: Área servida por la CNFL: sucursales Figura 2.5: Área de cobertura de las empresas de distribución de energía eléctrica Figura 2.6: Área de estudio Figura 3.1: Mapa geológico de suelos Figura 3.2: Variación de la resistencia a tierra de un punto específico en el año Figura 3.3: Método de Wenner o de cuatro puntos Figura 3.4: Curvas típicas de resistividad Figura 3.5: Variación de mediciones ante situaciones anómalas Figura 3.6: Telurómetro AEMC Figura 3.7: Panel del telurómetro AEMC Figura 4.1: Puesta a tierra en sistema de media tensión Figura 4.2: Método de la caída de potencial Figura 4.3: Curva de resistencia contra distancia Figura 4.4: Solapamiento de los gradientes de potencial Figura 4.5: Curva de resistencia versus distancia sin solapamiento de gradientes Figura 4.6: Método del 62% Figura 4.7: Prueba de continuidad Figura 4.8: Mediciones sobre pavimentos o concretos vii

8 Figura 4.9: Medición mediante medidor tipo pinza Figura 4.10: Gráfica de resistencia contra diámetro de varilla Figura 4.11: Gráfica de resistencia contra longitud de varilla Figura 5.1: Medición 1, lado este ( ) Figura 5.2: Medición 2, etapa II ( ) Figura 5.3: Medición 3, subestación en portón de lado este ( ) Figura 5.4: Medición 4, subestación en portón de lado este ( ) Figura 5.5: Medición 5, ducto cables de potencia ( ) Figura 5.6: Medición 6, lado de antena de radio ( ) Figura 5.7: Medición 7, lado de antena de radio ( ) Figura 6.1: Puntos de medición en el CircuitoBrasil-Ventanas Figura 6.2: Puntos de medición en el CircuitoBrasil-Reforma Figura 6.3: Puntos de medición en el Circuito La Caja-Industrias Figura 6.4: Puntos de medición en el Circuito La Caja-Calle Rusia Figura 6.5: Puntos de medición en el CircuitoElectriona- Montana Figura 6.6: Puntos de medición en el Circuito Electriona-Potrerillos Figura 6.7: Puntos de medición en el Circuito Electriona-Scott Figura 6.8: Puntos de medición en el Circuito Belén-Asunción Figura 6.9: Puntos de medición en el Circuito Belén-Fábricas Figura 6.10: Puntos de medición en el Circuito Lindora-Guácima Figura 6.11: Puntos de medición en el Circuito Lindora-Ojo de Agua Figura 6.12: Puntos de medición en el Circuito Lindora-Brasil viii

9 Figura 6.13: Puntos de medición en el Circuito Lindora-Hondura Figura 6.14: Puntos de medición en el Circuito Lindora-Radial Figura 6.15: Puntos de medición en el Circuito Escazú-Piedades Figura 6.16: Puntos de medición en el Circuito Escazú-Guachipelín Figura 6.17: Puntos de medición en el Circuito Santa Ana Sur Figura 6.18: Puntos de medición en el Circuito Escazú-Santa Ana Norte Figura 7.1: Gráfica de puntos de medición contra sus valores de resistividad Figura 7.2: Cantidad de pruebas por rangos de resistividad Figura 7.3: Porcentaje de pruebas por rangos de resistividad Figura 7.4: Cantidad de pruebas por rangos de resistencia a tierra Figura 7.5: Cantidad de pruebas según alternativas de diseño Figura 7.6: Porcentaje de coincidencia entre método gráfico y de fórmulas Figura 7.7: Coincidencia entre puntos de medición y datos teóricos Figura 7.8: Esquema del sistema de una varilla Figura 7.9: Esquema del sistema de triángulo Figura 7.10: Diseño de puesta a tierra de un electrodo con mejoramiento GEM ix

10 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Desglose por cantones del área servida por la CNFL... 9 Tabla 2.2: Límites del área servida por la CNFL Tabla 2.3: Características de las plantas hidroeléctricas Tabla 2.4: Composición de energía (GWh) Tabla 2.5: Evolución de demanda máxima (MW) Tabla 2.6: Total de líneas en operación (km) Tabla 2.7: Pérdidas en el sistema de distribución Tabla 2.8: Clientes totales por sector Tabla 2.9: Consumo por sectores (GWh) Tabla 2.10: Clientes de las empresas de distribución Tabla 2.11: consumo de energía por sectores de las empresas de distribución (GWh) Tabla 2.12: Subestaciones y circuitos de la zona de estudio Tabla 2.13: Historial de salidas del sistema Tabla 2.14: Índices de calidad de circuitos en estudio Tabla 2.15: Cantidad de salidas del sistema / enero a junio Tabla 2.16: Tiempo de salidas del sistema eléctrico / enero a junio 2006 (min.) Tabla 3.1: Valores de resistencia para diferentes terrenos Tabla 3.2: Valores de resistencia promedio Tabla 3.3: Resistividades según tipo de terreno (SUC) Tabla 3.4: Clasificación de los suelos según el Sistema Unificado de Casagrande Tabla 3.5: Efecto de la humedad en la resistividad x

11 Tabla 3.6: Efecto de la temperatura en la resistividad Tabla 3.7: Efecto del contenido de sal en la resistividad Tabla 3.8: Efecto de la temperatura en la resistividad de terreno con sal Tabla 4.1: Valores de resistencia típicos Tabla 4.2: Fórmulas para el cálculo de la resistencia de puesta a tierra Tabla 5.1: Resultados de mediciones en S.R. Lindora Tabla 5.2: Resultados de mediciones en S.R. Escazú Tabla 6.1: Estudio de tiempo en toma de datos Tabla 6.2: Resultados de mediciones en el Circuito Brasil-Ventanas Tabla 6.3: Resultados de mediciones en el Circuito Brasil-Reforma Tabla 6.4: Diseño con dos varillas Tabla 6.5: Diseño con estrella de tres puntas Tabla 6.6: Resultados de mediciones en el Circuito La Caja-Industrias Tabla 6.7: Diseño con dos varillas Tabla 6.8: Resultados de mediciones en el Circuito La Caja-Calle Rusia Tabla 6.9: Resultados de mediciones en el Circuito Electriona-Montana Tabla 6.10: Diseño con dos varillas Tabla 6.11: Resultados de mediciones en el Circuito Electriona-Potrerillos Tabla 6.12: Diseño con dos varillas Tabla 6.13: Diseño con estrella de tres puntas Tabla 6.14: Resultados de mediciones en el Circuito Electriona-Scott Tabla 6.15: Diseño con dos varillas xi

12 Tabla 6.16: Resultados de mediciones en el Circuito Belén-Asunción Tabla 6.17: Resultados de mediciones en el Circuito Belén-Fábricas Tabla 6.18: Resultados de mediciones en el Circuito Lindora-Guácima Tabla 6.19: Diseño con dos varillas Tabla 6.20: Diseño con estrella de cuatro puntas Tabla 6.21: Resultados de mediciones en el Circuito Lindora-Ojo de Agua Tabla 6.22: Resultados de mediciones en el Circuito Lindora-Brasil Tabla 6.23: Resultados de mediciones en el Circuito Lindora-Hondura Tabla 6.24: Diseño con dos varillas Tabla 6.25: Resultados de mediciones en el Circuito Lindora-Radial Tabla 6.26: Diseño con dos varillas Tabla 6.27: Resultados de mediciones en el Circuito Escazú-Piedades Tabla 6.28: Diseño con dos varillas Tabla 6.29: Diseño con estrella de cuatro puntas Tabla 6.30: Resultados de mediciones en el Circuito Escazú-Guachipelín Tabla 6.31: Diseño con dos varillas Tabla 6.32: Resultados de mediciones en el Circuito Escazú-Santa Ana Sur Tabla 6.33: Diseño con dos varillas Tabla 6.34: Resultados de mediciones en el Circuito Escazú-Santa Ana Norte Tabla 6.35: Diseño con dos varillas Tabla 7.1: Índice de colores Tabla 7.2: Componentes del sistema de una varilla xii

13 Tabla 7.3: Componentes del sistema de triángulo Tabla 7.4: Presupuesto para el sistema de una varilla Tabla 7.5: Presupuesto para el sistema de dos varilla Tabla 7.6: Presupuesto para el sistema de triángulo Tabla 7.7: Diseño de puesta a tierra con dos varillas Tabla 7.8: Presupuesto para el sistema con mejorador de tierra xiii

14 NOMENCLATURA A Amperio, unidad de corriente AEMC empresa productora de equipo de medición Alum. alumbrado cm. centímetros CNFL Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A. Cod. código c/u cada uno DPIR duración promedio de interrupciones registradas ERICO empresa productora de componentes para puesta a tierra ESPH Empresa de Servicios Públicos de Heredia Excel programa de hoja electrónica FPI frecuencia promedio de interrupciones ICE Instituto Costarricense de Electricidad INA Instituto Nacional de Aprendizaje ind - indefinido JASEC Junta Administrativa de los Servicios Eléctricos de Cartago K factor de inflexión xiv

15 m metro min. minuto MW megawatts, unidad de potencia PROTEL, S.A. representante de ERICO para Costa Rica rpm revoluciones por minuto RPT resistencia de puesta a tierra seg. segundo SEN Sistema Eléctrico Nacional SIG sistema de información geográfico SR subestación reductora Std estándar Subt. subterráneo SUC Sistema Unificado de Casa grande s/f sin forro unid unidad UCR Universidad de Costa Rica Urb. urbanización V Voltio, unidad de voltaje xv

16 X28 punto de medida número 28 -m Ohmio metro, unidad de resistividad xvi

17 RESUMEN La sociedad moderna ha sido beneficiada por la electricidad. Se da por un hecho que se contará con los servicios y el confort que proporcionan los equipos que utilizan energía eléctrica. Sin embargo, una instalación eléctrica sin los elementos necesarios de seguridad y protección puede ocasionar graves perjuicios y es así como la puesta a tierra de equipos y de sistemas eléctricos es importante. Un equipo sin puesta a tierra o un sistema no aterrizado también puede proporcionar servicios y confort, pero con menor seguridad y confiabilidad, poniendo en riesgo a las personas y a sus propiedades. Uno de los parámetros de mayor importancia en el diseño de tierras es la resistividad de los suelos. En el presente documento se realiza un análisis detallado sobre la resistividad y la puesta a tierra en la región oeste del área que sirve la Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A. Se contó con el equipo necesario y el factor humano disponible para poder realizar las mediciones en el campo y luego llevarlas hasta el papel o a distintos programas computacionales, con el fin de interpretarlas de la mejor manera. De esta forma, se logró obtener resultados importantes para poder garantizar buenas propuestas de diseño eléctrico en el área de puestas a tierra, las cuales fueron comparadas con configuraciones existentes y se comprobó la importancia de realizar un buen estudio del área en análisis, con lo que se recomienda que antes de hacer una instalación de una puesta a tierra, existan mediciones y diseños previos. El alcance de este proyecto ha sido, primordialmente, crear una base de datos que pueda servir como punto de referencia para proyectos o estudios que se piensen realizar. xvii

18 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL CAPÍTULO 1: Introducción En el tiempo que estuve como practicante en el Departamento de Planificación y Diseño de la CNFL, se pudo constatar la necesidad, que ya antes me había sido comentada por el mismo personal de la empresa, de disponer de un documento de referencia enfocado en la resistividad de los suelos del área servida por la Compañía. Tomando en consideración la extensión del área de servicio, se delimitó el tema de estudio hacia la región oeste del sector metropolitano, debido a las características que presenta la zona y la especial atención que se le debe brindar al diseño de puestas a tierra. Aún así, se pretende que en próximos proyectos se maneje la posibilidad de darle continuidad a este trabajo en otros sectores, con el fin de completar el área servida por la Compañía y así poder tener a disposición una base de datos completa que pueda servir como referencia de futuros estudios que se realicen en la empresa. Uno de los factores que tiene mayor efecto en la mitigación de sobrevoltajes, es la conexión de puesta a tierra, de ahí que resulta de gran importancia conocer las diferentes formas de establecer una buena puesta a tierra, que permita obtener una impedancia de baja magnitud, según las circunstancias del terreno, la obra por construir y los materiales que se tienen a disposición en el mercado. Por tal razón, en este documento se enfocará el trabajo en el estudio de las puestas a tierra, partiendo de modelos matemáticos y normativas internacionales de reconocida calidad, con lo cual se logren plantear propuestas de diseño que permitan un mejor funcionamiento de los sistema eléctricos. 1

19 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Objetivos A continuación se presenta el objetivo general de este proyecto y posteriormente se detallan los objetivos específicos Objetivo general Implementar un estudio de resistividades del sector oeste del área servida por la CNFL, esto con el fin de analizar la puesta a tierra de los proyectos en la zona Objetivos específicos 1. Investigar sobre los tipos de suelos existentes en la zona. 2. Diagnosticar el valor de la resistencia de puesta a tierra actual en los circuitos de distribución en la zona oeste. 3. Analizar los índices de calidad de la red de distribución que posee la CNFL, específicamente los alimentadores de la zona oeste, con el fin de determinar cuáles eventos son causados por falta de una adecuada puesta a tierra. 4. Definir el área y los puntos de medición de la resistividad del terreno, a partir de los resultados obtenidos en el diagnóstico. 5. Diseñar las puestas a tierra que mejor se adapten a las condiciones de resistividad del terreno de la zona, para mejorar el comportamiento de las líneas de distribución. 6. Estimar la mejora en el comportamiento de los circuitos de distribución, al implementar los diseños propuestos para la puesta a tierra.

20 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Metodología 1. Puesta a tierra de subestaciones Se estudió la resistencia de puesta a tierra de las mallas existentes en las subestaciones del área de estudio. Para ello se trabajó en coordinación con el Departamento de Sistemas de Potencia de la CNFL, en primera instancia solicitando información de mediciones previas y luego realizando mediciones mismas en días de paro programado. 2. Resistividad de los suelos Para el respectivo análisis de la resistividad de los suelos, se realizaron las mediciones en puntos estratégicos a lo largo de los distintos circuitos que recorren el sector oeste del área metropolitana, intentando siempre cubrir el territorio total de la mejor manera posible. 3. Comparación de resultados de resistividad con información previa de la zona Se contó con la colaboración del señor Rolando Mora de la Escuela de Geología de la UCR, con el fin de que me brindara información previa de los distintos suelos que se presentan en la zona, para posteriormente realizar una comparación con los resultados obtenidos prácticamente. 4. Diseño de puesta a tierra Con el fin de proporcionar un buen diseño se hizo uso de distintos modelos matemáticos implementados en programas de Excel, que permitieran obtener resultados más fidedignos y precisos.

21 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Comparación de propuestas de diseño con diseños actuales. Al realizar una comparación de los diseños propuestos con las configuraciones de puesta a tierra actuales, se pretende comprobar el desempeño de uno y otro, y la diferencia económica que existe entre ambos. 6. Propuesta de diseño con uso de nuevos materiales. Partiendo de la existencia de nuevos materiales para puestas a tierra, se realizaron propuestas de diseño con estos, que serían comparados posteriormente con diseños previos bajo los métodos tradicionales, esto con el fin de realizar recomendaciones sobre las nuevas tecnologías en el mercado actual. 1.3 Definiciones Las definiciones que a continuación se especifican están establecidas de acuerdo con las normas IEEE Std y ASTM G 57-95ª. Sistema de puesta a tierra (SPT): Conjunto de elementos conductores de un sistema eléctrico específico, sin interrupciones ni fusibles, que unen los equipos eléctricos con el suelo o terreno. Comprende la puesta a tierra y todos los elementos puestos a tierra. Suelo: Sistema natural, resultado de procesos físicos, químicos y biológicos, con componentes principalmente minerales y sólidos inertes que le dan estabilidad, en conjunto con líquidos y gases que definen su comportamiento eléctrico. Electrodo de puesta a tierra: Conductor en íntimo contacto con el suelo, para proporcionar una conexión eléctrica con el terreno. Puede ser una varilla, tubo, placa, cinta o cable.

22 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 5 Puesta a tierra: Grupo de elementos conductores equipotenciales, en contacto eléctrico con el suelo o una masa metálica de referencia común, que distribuyen las corrientes eléctricas de falla en el suelo o en la masa. Comprende: electrodos, conexiones y cables enterrados. También, se le conoce como toma de tierra o conexión a tierra. Puesto a tierra: Toda conexión intencional o accidental del sistema eléctrico con un elemento considerado como una puesta a tierra. Se aplica a todo equipo o parte de una instalación eléctrica (neutro, centro de estrella de transformadores o generadores, carcazas, incluso una fase para sistemas en delta, entre otros) que posee una conexión intencional o accidental con un elemento considerado como puesta a tierra. Tierra: Para sistemas eléctricos, es una expresión que generaliza todo lo referente a sistemas de puesta a tierra. En temas eléctricos se asocia a suelo, terreno, tierra, masa, chasis, carcaza, armazón, estructura o tubería de agua. El término masa solo debe utilizarse para aquellos casos en que no es el suelo, como en los aviones, los barcos, los carros y otros. Conductor del electrodo de puesta tierra: Conductor que es conectado con intención a una puesta a tierra, sólidamente para distribuir la tierra a diferentes sitios de una instalación. Resistividad del suelo: Representa la resistencia específica del suelo a cierta profundidad, o de un estrato del suelo; se obtiene indirectamente al procesar un grupo de medidas de campo; su magnitud se expresa en (-m) o (-m), es inversa a la conductividad. La resistividad eléctrica (): es la relación entre la diferencia de potencial en un material y la densidad de corriente que resulta en el mismo. Es la resistencia específica de una sustancia. Numéricamente, es la resistencia ofrecida por un cubo de 1m x 1m x 1m, medida entre dos caras opuestas.

23 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 6 Resistividad aparente: Se obtiene con una medida directa en el suelo natural, bajo el esquema geométrico especificado por el método de cuatro electrodos, aplicado con circuitos independientes de corriente y potencial, sólo es representativo para un punto de la característica del suelo estratificado. Resistencia mutua de electrodos: Fenómeno resistivo que aparece entre electrodos de puesta a tierra o puntos próximos en el suelo, mediante el cual, la corriente que se dispersa a través de uno de ellos, modifica el potencial del otro. Su unidad es el (Ohm). Potencial eléctrico: Es la diferencia de voltaje entre un punto y alguna superficie equipotencial, que generalmente es la superficie del suelo, que es seleccionada arbitrariamente como de potencial cero o tierra remota. Un punto el cual tiene un potencial más alto que el cero se llama potencial positivo y en caso contrario potencial negativo. Tierra remota: También denominada tierra de referencia, es el lugar o la zona de mínima resistencia, más próxima del suelo subyacente a una instalación eléctrica o a una puesta a tierra, respecto de las cuales se le atribuye por convención el potencial cero. Acero inoxidable martensítico. Aceros al cromo (11,5% a 18%) con alto contenido de carbón (0,15% a 1,2%). Presentan elevada dureza y resistencia mecánica, se endurecen por tratamiento térmico y son magnéticos. Acero inoxidable austenístico. Aceros al cromo-níquel (16% a 30% Cr y 6% a 22% Ni) con bajo contenido de carbón (0,20% máximo). Presentan elevada resistencia a la corrosión, ductilidad y gran facilidad de limpieza; se endurecen por trabajo en frío y no son magnéticos.

24 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL CAPÍTULO 2: Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A. La Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S. A., denominada CNFL, es una empresa de distribución y generación de energía eléctrica. Su actividad comercial se enmarca en el Valle Central y su área de concesión es de 903 km 2, aproximadamente. La figura 2.1 logra especificar la ubicación de la Compañía con respecto al territorio nacional. Figura 2.1: Área servida por la CNFL en el territorio nacional 7

25 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 8 Desde el punto de vista geográfico y sin considerar las áreas silvestres protegidas, el área de la CNFL es aproximadamente de 684,80km 2. En la siguiente figura se detalla, por medio de una cuadrícula, la demanda por sectores, en donde cada cuadro ocupa un área de un kilómetro cuadrado. Los sectores en verde indican las áreas con menor demanda energética, mientras que al irse intensificando los colores, aumenta la demanda y se especifican los focos de mayor consumo de energía, los cuales, como es de pensar, se ubican en los alrededores de las zonas mayormente industrializadas. Figura 2.2: Sectores de demanda energética de la CNFL

26 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 9 Es posible destacar que la CNFL cubre sectores de las cuatro provincias del área metropolitana. La tabla siguiente nos detalla específicamente que cantones de cada provincia forman parte del área cubierta por la Compañía, en donde abarca 19 de ellos en forma completa y otros cuatro de forma compartida, para un total de 23 cantones, de los 81 que existen en el país. Tabla 2.1: Desglose por cantones del área servida por la CNFL PROVINCIA San José Heredia Cartago Alajuela CANTONES Cantón central de San José, Desamparados, Montes de Oca, Goicoechea, Moravia, Vásquez de Coronado, Curridabat, Tibás, Escazú, Santa Ana, Mora, Aserrí y Alajuelita Santo Domingo, Barva, Flores (San Joaquín), Santa Bárbara y Belén La Unión (Tres Ríos) y distritos del cantón central de Cartago Distritos del cantón central de Alajuela como San Rafael, Santiago Este y Oeste (La Guácima) y Desamparados Figura 2.3: Área servida por la CNFL: por cantones y división distrital

27 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 10 La figura 2.3 nos detalla también, de forma gráfica, la división cantonal en el área servida por la compañía y de igual forma sirve de base para referenciar lo que son los límites geográficos que se especifican a continuación: Tabla 2.2: Límites del área servida por la CNFL DIRECCIÓN Norte Sur Este Oeste LÍMITE Montañas de volcán Barva, menos cantones de San Isidro, San Pablo, San Rafael y Heredia central. Estación terrena en Tarbaca de Aserrí. Alto de Ochomogo, carretera a Cartago. Guácima de Alajuela y Ciudad Colón Área de Generación En el sector de generación, la CNFL cuenta en la actualidad con 9 plantas hidroeléctricas, las cuales produjeron en el 2006, el 10,15 % de la energía requerida. Para el mismo año, la CNFL aumentó su oferta de energía en un 4,37 %, al generar 349,11 GWh (10,15 %), comprarle al ICE 3 084,16 GWh (89,65 %) y adquirir por parte de la Planta Biotérmica de Río Azul, 6,77 GWh (0,2 %). El detalle de cada una de las plantas con las que cuenta la Compañía se especifica en la tabla 2.3, en donde se tabulan características de potencia, caída, velocidad y caudal. Como es de notarse, vale la pena resaltar que la generación de energía que realiza la CNFL es cien por ciento a base de recursos renovables, especialmente el agua, pero prontamente también entrará en marcha un proyecto de torres eólicas en el sector de Santa Ana.

28 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 11 Tabla 2.3: Características de las plantas hidroeléctricas En la tabla 2.4 se muestra la composición de la energía en los últimos años, según las cantidades que se han generado o se han comprado, ya sea al ICE o a la Planta Río Azul. Se puede notar, tal y como es de esperar, el aumento en la tendencia del consumo de energía total, afectado por el alto crecimiento poblacional e industrial que se presenta en la zona servida. Tabla 2.4: Composición de energía (GWh) CNFL ICE P.B. Río Azul Energía Año Generada % Comprada % Comprada % Total ,52 10, ,65 89,79 0,00 0, , ,01 11, ,73 88,07 0,00 0, , ,54 15, ,51 84,57 0,00 0, , ,10 13, ,81 86,80 0,00 0, , ,38 11, ,08 88,76 0,00 0, , ,11 10, ,43 89,01 0,00 0, , ,40 9, ,91 90,19 0,00 0, , ,70 12, ,51 87,67 4,87 0, , ,93 11, ,74 87,92 12,06 0, , ,11 10, ,16 89,65 6,77 0, ,03 (Fuente: Centro de Control de Energía)

29 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 12 En la CNFL, la generación tiene el fundamento de máxima operación en las horas pico, esto con la finalidad de disminuir la compra de demanda de potencia y por ende la facturación de compra al ICE. Como se puede apreciar en la tabla 2.5, la CNFL aportó 71,8 MW con sus plantas hidroeléctricas del total de 577,89 MW que fue su máxima demanda en el año 2006 y representa un 45 % de la demanda nacional. Tabla 2.5: Evolución de demanda máxima (MW) Año Generada Comprada Total ,09 355,81 405, ,87 393,47 431, ,50 386,12 452, ,94 391,76 465, ,57 413,75 470, ,99 426,48 488, ,22 451,74 515, ,61 464,14 529, ,55 466,25 541, ,33 491,52 561, ,79 506,09 577,89 (Fuente: Centro de Control de Energía) 2.2. Área de Distribución En el área de distribución, el sistema eléctrico hasta el 2006 presentaba una red de media tensión distribuida, principalmente, en voltajes de 34,5 kv y 13,8 kv, de los cuales el primero cubre km y el otro km. Aparte también se encuentra la red de baja tensión con una extensión de km. Es de gran importancia indicar que en la actualidad existe una pequeña red de 4,16 kv en operación, ubicada en los alrededores de la Universidad de Costa Rica, con una extensión prácticamente despreciable. En la tabla 2.6 se aprecia el aumento que se ha producido en el número de líneas en operación en los últimos 10 años.

30 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 13 Tabla 2.6: Total de líneas en operación (km) Año Media Tensión Baja Tensión 13,8 kv 34,5 kv Total (Fuente: Sección Construcción de Obras Eléctricas) En lo referente a transformadores de distribución, la red de 13,8 kv tiene instalado una potencia de 439 MVA y en la red de 34,5 kv una potencia instalada de 916 MVA y finalmente, las pérdidas de distribución fueron del 8,39% y en la Tabla 2.7 se aprecia el comportamiento de los siete años, el cual se encuentra entre 7,47 % al 8,39 %. Tabla 2.7: Pérdidas en el sistema de distribución Energía % Año Total Vendida Pérdidas GWh GWh , ,80 8, , ,82 7, , ,57 7, , ,83 8, , ,71 8, , , , ,31 7, , (Fuente: Sección Construcción de Obras Eléctricas)

31 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 14 La CNFL se alimenta del SEN, a través de subestaciones interconectadas al sistema de transmisión de 230 y 138 kv del ICE. De estas subestaciones, sale la red de distribución de 34,5kV, la cual recorre gran parte del área de concesión, pero también opera como una red de sub-transmisión, porque alimenta otras subestaciones propias de la CNFL, de donde parte la red de distribución de 13,8 kv Área de Comercialización En la actividad comercial, hasta el 2006 se contaba con clientes, distribuidos de la siguiente manera: sector residencial ; sector comercial y sector industrial En la tabla 2.8 se pueden apreciar estos datos, así como el desempeño desde el 2001, con lo cual queda claro apreciar como el sector industrial tiene una tendencia en disminuir su número de clientes. Tabla 2.8: Clientes totales por sector Año Residencial Comercial Industrial Total (Fuente: Departamento de Consumidores) En lo que respecta a la energía consumida por cada uno de estos sectores, en la tabla 2.9 se presenta un desglose que muestra el consumo de energía de cada uno de los sectores, a partir del 2001, pero con la incorporación de otro sector que demanda energía, el cual es el alumbrado público.

32 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 15 Tabla 2.9: Consumo por sectores (GWh) Año Residencial Comercial Industrial Alum. Público Total ,12 778,63 639,75 65, , ,84 834,93 649,89 73, , ,19 892,06 652,67 76, , ,75 935,38 679,03 78, , ,99 979,51 702,63 79, , , ,77 704,72 81, ,31 (Fuente: Departamento de Consumidores) Tal como se muestra en la figura 2.4, dentro de la organización administrativa comercial de la CNFL, el área de concesión se divide en cinco sucursales: Central, Guadalupe, Desamparados, Escazú y Heredia. Figura 2.4: Área servida por la CNFL: sucursales

33 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 16 En Costa Rica, existen ocho empresas que se dedican al negocio de la distribución de la energía eléctrica. Según los cuadros que se presentan a continuación, para el 2005, la CNFL tenía el 36% de los clientes del país, lo cual la ubica en el segundo lugar con cantidad de clientes, superada solamente por el ICE, pero ocupa el primer lugar en energía vendida porque vende el 41.3% de la energía consumida en el país. En la tabla 2.10, se muestra la cantidad de clientes y en la tabla 2.11 la energía consumida por cada una de las empresas de distribución de energía. En la figura 2.5, se muestra el área de cobertura de cada una de las empresas. Tabla 2.10: Clientes de las empresas de distribución 2005 Residencial General Industrial Total % ICE ,5 CNFL ,0 ESPH ,6 JASEC ,6 COOPEGUAN ,8 COOPELESCA ,6 COOPESANTOS ,5 COOPEALFARO ,4 TOTAL ,0 (Fuente: informe anual del proceso de demanda eléctrica, CENPE, ICE) Tabla 2.11: consumo de energía por sectores de las empresas de distribución (GWh) 2005 Residencial General Industrial Total % ICE ,0 CNFL ,3 ESPH ,7 JASEC ,8 COOPEGUAN ,2 COOPELESCA ,4 COOPESANTOS ,4 COOPEALFARO ,3 TOTAL ,0 (Fuente: informe anual del proceso de demanda eléctrica, CENPE, ICE)

34 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 17 Figura 2.5: Área de cobertura de las empresas de distribución de energía eléctrica

35 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Área de Estudio Tal y como se ha venido mencionando, el área de estudio de este trabajo se ubica en el sector oeste del área servida por la CNFL, específicamente abarca los cantones de Ciudad Colón, Santa Ana, Belén y parte de Escazú, así como los distritos de San Rafael y La Guácima de Alajuela. Con respecto al resto del área servida por la Compañía, se tomaron, aproximadamente, como límites físicos, la autopista General Cañas y la autopista de Circunvalación, y claro está que lo más importante es empezar a realizar un barrido de toma de datos sobre resistividad del terreno hasta donde sea posible. De acuerdo con el estudio que se ha realizado, resultaba de mayor importancia efectuar las mediciones en puntos estratégicos a lo largo de los circuitos que recorrían la zona, así como en lugares cercanos a donde se ubican las subestaciones. Por lo tanto, es necesario especificar que la zona oeste tiene seis subestaciones con sus respectivos circuitos, que suman 26 y los cuales se especifican en la tabla Tabla 2.12: Subestaciones y circuitos de la zona de estudio Subestación S.R. Brasil S.R. La Caja S.R. Electriona S.R. Belén S.R. Lindora S.R. Escazú Circuitos Ventanas - Reforma Industrias - Calle Rusia - Electriona 1 - Electriona 2 - Pavas - INA Montana - Potrerillos - Scott Asunción - Fábricas - San Juan Guácima - Ojo de Agua - Brasil - Hondura - Radial Piedades - Laureles - Guachipelín - Jaboncillos - Multiplaza - Santa Ana Sur - Santa Ana Norte

36 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 19 Figura 2.6: Área de estudio En la figura 2.6, se puede apreciar el área de estudio para el presente trabajo. Se destacan en el mapa las zonas geográficas, las calles, red hídrica, así como las subestaciones y los circuitos que se entrelazan en la zona.

37 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Sistema de información geográfico (SIG) Un sistema de información geográfico funciona como una base de datos, con información geográfica que se encuentra asociada por un identificador común a los objetos gráficos de un mapa digital. De esta forma, señalando un objeto se conocen sus atributos e inversamente, preguntando por un registro de la base de datos se puede saber su localización en la cartografía. El sistema de información geográfico separa la información en diferentes capas temáticas y las almacena independientemente, permitiendo trabajar con ellas de manera rápida y sencilla, y facilitando al profesional la posibilidad de relacionar la información existente a través de la topología de los objetos, con el fin de generar otra nueva que no se podría obtener de otra forma Tipo de información Los software SIG pueden ser raster o vectoriales. El modelo de SIG raster se centra en las propiedades del espacio más que en la precisión de la localización. Divide el espacio en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único valor. Cuanto mayor sean las dimensiones de las celdas (resolución), menor es la precisión o detalle en la representación del espacio geográfico. En el caso del modelo de SIG vectorial, el interés de las representaciones se centra en la precisión de la localización de los elementos sobre el espacio. Para modelar digitalmente las entidades del mundo real, se utilizan tres objetos espaciales: el punto, la línea y el polígono. Los SIG vectoriales son más populares en el mercado. No obstante, los SIG raster son muy utilizados en estudios medioambientales donde la precisión espacial no es muy requerida (contaminación atmosférica, distribución de temperaturas, localización de especies marinas, análisis geológicos, etc.)

38 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Funciones de un SIG Los principales asuntos que puede resolver un sistema de información geográfica son: - Localización: preguntar por las características de un lugar en concreto. - Condición: el cumplimiento o no de ciertas condiciones o impulsos del sistema. - Tendencia: comparación entre situaciones temporales o espaciales distintas de alguna característica. - Rutas: cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos. - Pautas: detección de pautas espaciales. - Modelos: generación de modelos a partir de fenómenos o actuaciones simuladas. Por ser tan versátiles los sistemas de información geográfica, su campo de aplicación es muy amplio, pudiendo utilizarse en la mayoría de las actividades con un componente espacial.

39 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Índices de calidad Uno de los aspectos a considerar en el desempeño de los sistemas eléctricos, son los índices de calidad. En este capítulo, se brinda especial importancia a lo que son el factor promedio de interrupciones (FPI.) y la duración promedio de interrupciones (DPIR), los cuales representan los principales parámetros a considerar en el comportamiento de los sistemas. En la tabla 2.13, se presenta un historial de las salidas en el transcurso de los años 2000 a 2005, mientras tanto, en la tabla 2.14, se especifican con mayor detalle los valores de los circuitos en la zona en estudio. El incremento normal de los índices se gestiona por el cambio climático, en donde aumentan las consecuencias de causas externas. Se incrementa el FPI. debido a conexiones flojas y por el aumento considerado de viento en algunas zonas. El DPIR no es directamente proporcional a las salidas, pues existen interrupciones que se realizan en forma momentánea. Es normal que a mediados de año se incrementen los valores debido a la incidencia de fallas de origen externo, relacionadas directamente por el aumento de las lluvias y por ende de los rayos, he ahí una de las razones del porqué un buen estudio de puestas a tierra, estos detalles de causantes de fallas, con sus promedios y duraciones, se pueden ver en las tablas 2.13 y Tabla 2.13: Historial de salidas del sistema AÑO FPI DPIR ,87 2, ,87 1, ,91 1, ,89 1, ,89 1, ,91 1,39 (Fuente: Sección Control de Distribución)

40 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 23 No. Tabla 2.14: Índices de calidad de circuitos en estudio Circuito Acumulado 2006 Acumulado junio 2007 FPI DPIR FPI DPIR Belén Belén - Asunción 21,15 12,95 19,00 22, Belén - Fábricas 9,00 5,50 8,00 9, Belén - San Juan 14,53 9,92 18,35 21,44 Brasil Brasil - Reforma 30,00 12,58 20,00 19, Brasil - Lindora 0,00 0,00 0,00 0,00 Caja Caja - Industrias 27,00 13,92 17,00 20, Caja - Calle Rusia 23,00 13,35 24,00 25, Caja - Electriona 1 6,00 4,23 0,00 0, Caja - Electriona 2 11,00 14,42 0,00 0, Caja - Pavas 9,00 3,67 16,00 25, Caja - INA 22,00 19,33 12,00 24,23 Electriona Electriona - Caja 2 ººº ººº 9,00 4, Electriona - Caja 1 ººº ººº 12,00 27, Electriona - Montana 17,00 17,52 5,00 6, Electriona - Potrerillos 15,00 31,35 ººº ººº Electriona - Scott 10,00 13,27 ººº ººº Escazú Escazú - Piedades 28,00 13,08 15,00 8, Escazú - Laureles 15,00 10,80 7,00 16, Escazú - Guachipelín 32,00 19,62 32,00 30, Escazú - Jaboncillos 32,00 8,23 23,00 35, Escazú - Multiplaza 7,00 13,73 15,00 28, Escazú - Santa Ana Sur 20,00 8,43 13,00 27, Escazú - Santa Ana Norte 25,00 10,35 20,00 31,75 Lindora Lindora - Guácima 39,35 15,13 15,23 11, Lindora - Ojo de Agua 13,00 9,62 34,00 10, Lindora - Brasil 0,00 0,00 0,00 0, Lindora - Hondura 8,00 14,53 7,00 12, Lindora - Radial 8,00 12,55 9,00 15,07 (Fuente: Sección Control de Distribución)

41 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 24 Tabla 2.15: Cantidad de salidas del sistema / enero a junio 2006 Causas enero febrer o marzo abril mayo junio total % Averías ,99 desconocida ,87 ramas ,15 falso contacto ,02 daño de equipo ,54 protecciones ,21 recierre ,02 aislamientos ,79 primarios reventados ,39 Externos ,20 animales ,78 objetos sobre la línea ,72 poste chocado ,09 rayería ,19 viento ,07 contaminación ,00 daño instalación cliente ,00 catástrofes ,00 árboles sobre la línea ,53 vandalismo ,68 sistema eléctrico nacional ,09 bomberos ,06 Operaciones ,67 suspensión programada ,67 maniobra de operación ,65 error humano ,35 suspensión correctiva urgente ,01 Alimentador ,14 falla suministro voltaje ,14 Total causas (Fuente: Sección Control de Distribución)

42 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A. 25 Tabla 2.16: Tiempo de salidas del sistema eléctrico / enero a junio 2006 (min.) Causas enero febrero marzo abril mayo junio total % Averías ,40 desconocida ,81 ramas ,99 falso contacto ,30 daño de equipo ,99 protecciones ,49 recierre ,59 aislamientos ,06 primarios reventados ,17 Externos ,10 animales ,37 objetos sobre la línea ,68 poste chocado ,30 rayería ,30 viento ,06 contaminación ,00 daño instalación cliente ,00 catástrofes ,00 árboles sobre la línea ,31 vandalismo ,06 sistema eléctrico nacional ,20 bomberos ,80 Operaciones ,90 suspensión programada ,59 maniobra de operación ,73 error humano ,19 suspensión correctiva urgente ,37 Alimentador ,60 falla suministro voltaje ,60 Total causas (Fuente: Sección Control de Distribución)

43 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL CAPÍTULO 3: Resistividad de los suelos En general, la resistencia total que presenta una instalación de puesta a tierra está constituida por la suma de las siguientes partes: - La resistencia del conductor que conecta el electrodo de tierra al sistema que debe ponerse a tierra. - La resistencia de contacto entre la superficie del electrodo y el terreno. - La resistencia del suelo en el que está enterrado el electrodo. La resistencia del conductor se puede determinar perfectamente por los procedimientos usuales. La de contacto con el terreno es despreciable por su escaso valor y la parte más significativa es la del terreno que rodea al electrodo. Con respecto a lo que se acaba de mencionar, se debe señalar la escasa importancia de la baja resistividad de los materiales utilizados como electrodos, con respecto a la que posee el terreno. En efecto, normalmente el material utilizado es cobre y este presenta una resistividad de: Ωmm 1 Ωmm 1m 1 Ωm ρ = = = Cu (3.1) m 58 m 10 mm 58,10 m mientras que para un terreno excelente, en circunstancias favorables, rara vez podrá alcanzarse una terreno = 1 -m, es decir, en el mejor de los casos posee una resistividad de 58 millones de veces mayor que la del cobre, circunstancia que en ocasiones no es tomada en cuenta y por cuya razón poco importa, desde el punto de vista de la resistividad, el metal utilizado como electrodo en el sistema de puesta a tierra en diseño. 26

44 Estudio de la resistividad del terreno de la región oeste del área servida por la CNFL, S.A Resistividades características de los suelos La variación de la resistividad, según la composición de los suelos, es muy relativa, pues existe la dificultad de que las diferentes clases de terreno no se encuentren especificadas como para saber, de antemano, el valor de la resistividad en el punto elegido. Aún así, se presenta el mapa que se especifica en la figura 3.1, en el cual se logran apreciar las distintas capas geológicas que conforman el Valle Central. En relación con la zona donde se realiza el estudio, de esta herramienta se logran rescatar varias áreas de suelos distintos, claramente notables y las cuales se detallan a continuación: Tm p: arcillas muy plásticas Tm pn: arcillas moderadamente plásticas. Tmp e: arenas / suelos arenosos. TQ ga: arcillas muy plásticas. Qvq: lavas del río / pura roca. Qal: aluviones / bloques inmersos en suelos arcillosos Qv3: limos de plasticidad alta / sonsocuitle / arcillas expansivas / suelos blandos. Qvl: limos de plasticidad alta Por lo tanto, haciendo uso de los datos que ofrecen las tablas 3.1 y 3.2, en comparación con los índices anteriores, es posible obtener a modo de orientación, una primera perspectiva sobre la resistividad que ofrecen cada uno de los terrenos. Lo que se pretende con esto es establecer una comparación entre la información teórica obtenida por medios geológicos en relación y el estudio práctico bajo el análisis de las resistividades de los suelos.