CALCULO MALLA DE PUESTA A TIERRA ESTRUCTURAS DE LA LINEA 115 kv CAMPOBONITO

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1 Página :1 de 11 Nombre del documento: CALCULOS MALLA DE PUESTA A TIERRA ESTRUCTURA LINEA 115 kv CAMPOBONITO Consecutivo del documento: LE-FR-CON-256-MC-002 CALCULO MALLA DE PUESTA A TIERRA ESTRUCTURAS DE LA LINEA 115 kv CAMPOBONITO CONSTRUCCION PARA RECONFIGURACION DE LA LINEA DE TRANSMISION EN DOBLE CIRCUITO A 115 KV, PARA LA CONEXIÓN DE LA SUBESTACION CAMPOBONITO EN EL MUNICIPIO DE PUERTO LOPEZ, INCLUYE SUMINISTRO DE MATERIALES, OBRAS CIVILES, MONTAJES, PRUEBAS Y PUESTA EN SERVICIO REVISIÓN FECHA DESCRIPCIÓN ELABORÓ APROBÓ LA SALIDA AL CLIENTE A 13/10/2011 Primera revisión CAO LES APROBÓ CLIENTE FIRMAS

2 Página :2 de 11 CONTENIDO 1 OBJETO 3 2 ALCANCE 3 3 DESARROLLO MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO VERIFICACION DEL CONDUCTOR DE LA MALLA DETERMINACION DE LA MAXIMA CORRIENTE POR LA MALLA DATOS DE EVALUACION DE LA MALLA RESULTADOS 9 4 REFERENCIAS 10

3 Página :3 de 11 1 OBJETO Dar a conocer los resultados del Cálculo de la Malla de Puesta a Tierra para las estructuras de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito 115kV. 2 ALCANCE En este documento presentamos la metodología seguida para calcular y diseñar el sistema de puesta a tierra de la zona donde se construirán las bases para las estructuras de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito 115 kv. LOCALIZACION CORREDOR DE LA LINEA 115 kv

4 Página :4 de 11 3 DESARROLLO Todo sistema de puesta a tierra debe cumplir con el doble propósito de protección y referencia eléctrica. Para cumplir con el propósito de protección, se deben limitar las tensiones máximas de toque y de paso para proteger la integridad de las personas y los equipos que están sobre la malla de tierra. En correspondencia con el Artículo 15: Puestas a Tierra, del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas - RETIE [1], se utiliza como procedimiento de cálculo el método consignado en la Norma IEEE Std [4] la cual establece procedimientos de diseño para lograr la limitación de estas tensiones. Por tal razón no se deben tener en cuenta los valores de máxima tensión de contacto indicados en la tabla 22 del RETIE ya que estos sólo consideran la resistencia neta del cuerpo humano entre mano y pie, es decir, no considera el efecto de las resistencias externas adicionalmente involucradas entre la persona y la estructura. 3.1 MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO De acuerdo con las mediciones de resistividad, se toma como base la medición de la resistividad aparente obtenida de las mediciones. (ANEXO No 1-RESISTIVIDAD LINEA CAMPOBONITO 115 KV). Para el diseño de la malla de tierra se tomó una resistividad promedio de cada punto así: Punto 1-: Ω- m. Punto 2-: Ω- m. Punto 3-: 500 Ω- m. Resistividad aparente del suelo eje de la línea 115 kv = Ω- m.(ver anexo 1 medida de Resistividad). Una vez se construya la malla de puesta a tierra de la estructura de la torre para las líneas de entrada y salida a la subestación CAMPOBONITO 115 kv, se debe verificar que la resistencia de puesta a tierra corresponda con los valores permitidos. De no ser así deben instalarse contrapesos.

5 Página :5 de VERIFICACION DEL CONDUCTOR DE LA MALLA Debido a la posible circulación de corriente de cortocircuito por los conductores de la malla durante una eventual falla local ó remota, el calibre de éstos debe ser el adecuado para soportarla mientras se despeja, sin que se produzca una elevación de la temperatura a niveles destructivos. De la fórmula que evalúa la capacidad de corriente para un determinado conductor planteada por Jiri Sverak en la norma IEEE STD , es posible despejar el área mínima requerida del conductor que soporta la corriente máxima de falla sin que exceda la temperatura permisible, a la cual se conservan las características del material: Para calcular el conductor de la malla se aplica la siguiente fórmula: Donde: Amm2= I*Kf*Raiz(t)/1,9737: Amm2= Sección del conductor en mm2 I= Corriente máxima de falla en KA. Tm= Temperatura de fusión del conductor t= Tiempo máximo de despeje de la falla Kf= Constante de la tabla No 24 del RETIE e igual a 7 La mayor parte de las fallas de un sistema de potencia moderno son aclaradas entre 30 ms y 200 ms, dependiendo del tiempo de operación del interruptor o fusible utilizado, así como de la coordinación establecida previamente para la operación de las protecciones. Con el propósito de ser conservativos para la verificación de las tensiones de toque y de paso al interior de la malla, se asumió un tiempo de despeje igual a 500 ms, tal como lo recomienda la norma IEEE Std IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding. Se asumió como criterio de diseño para el conductor de la malla un tiempo de aclaración de la falla de 500 ms. El material seleccionado para el conductor es cobre, cuyas constantes y coeficientes característicos se obtuvieron de los catálogos del fabricante. La sección del conductor para la malla del sistema de puesta a tierra se calculó para la corriente de cortocircuito monofásica de 4,67 KA (Estudio de expansión IEB Sistema EMSA). Como temperatura ambiente se adoptó 40º.

6 Página :6 de 11 Evaluando la aplicación, con las condiciones anteriormente mencionadas, se obtiene que el área mínima requerida para el conductor principal de la malla de tierra es 11,93 mm², lo cual equivale a un conductor 6 AWG. Se seleccionó conductor de cobre No. 500 MCM ( debido a la alta resistividad del terreno y con el fin de cumplir con el valor de resistencia mínimo para este tipo de estructuras) el cual tiene un área de 335,56 mm² y soporta 54,4 ka de cortocircuito a 1 s (Tabla CENTELSA para cable de cobre desnudo), lo cual indica que los cables permiten el paso de la máxima corriente durante el tiempo de duración de la falla (0,5 s), sin sobrepasar la temperatura máxima permitida de 1084ºC (tabla No 24 del RETIE), temperatura que garantiza plenamente la integridad de los conductores y las uniones de la malla de puesta a tierra. Por otro lado la cuadrícula garantiza que los retornos de corriente de falla monofásica al interior de la malla se distribuyan por varios caminos razón por la cual es suficiente utilizar el calibre propuesto. Se adopta entonces el calibre 500 MCM DETERMINACION DE LA MAXIMA CORRIENTE POR LA MALLA De acuerdo con la norma IEEE en su artículo 15, para el cálculo de la máxima corriente que circula por la malla se debe tener en cuenta la corriente de falla asimétrica así: IF=Df*If Donde: IF=Corriente efectiva asimétrica de falla en A. If=Es la corriente simétrica de falla atierra en A. Df=Factor de decremento. Para el sistema en estudio el Df=0,6 If=4.467 A (de acuerdo con el estudio de expansión de la EMSA IEB) Entonces IF=0,6 x =2.680 A. Hay también un factor que representa la parte de corriente de falla que fluye entre la tierra y la red que rodea la tierra que se denomina Factor divisor de corriente de falla, el cual viene determinado por la ecuación: Sf=Ig/3Io, donde: Sf=Factor Divisor de corriente de falla.

7 Página :7 de 11 Ig= Valor de Corriente RMS por la malla en A. Io=Corriente de falla de secuencia cero en A. Ig=3Io x Sf IF=3 Io Sf se escoge de la tabla No 10 de la norma IEEE , para un tiempo Tf =500 ms. Entonces Ig=1,101 X 2.680= A. 3.3 DATOS DE EVALUACION DE LA MALLA Dadas las características del suelo del corredor de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito, se adopto el valor de la resistividad superficial, cuyo valor calculado para cada punto es de: Resistividad aparente del suelo eje de la línea 115 kv = Ω- m. (Ver anexo 1 medida de Resistividad). Al tomarse estos valores de corriente de cortocircuito monofásica, calculada y cuyo valor es de 4,67 ka, se garantiza el diseño en cuanto a tensiones de toque y de paso. Para la evaluación de las tensiones de toque y de paso se considera un tiempo de 500 ms para despeje de fallas, teniendo en cuenta el tipo de protecciones a utilizar. El área de la zona donde se construirá el sistema de puesta a tierra de La Línea 115 kv de entrada a la Subestación Campobonito, por torre, es de 33x33 (1.089 m2). Las conexiones se asumen con idéntica temperatura de fusión que el conductor, por tanto se especifican del tipo termo fundente (exotérmicos). En la Tabla No.1, se presentan los datos de entrada necesarios para aplicación del cálculo del sistema de puesta a tierra. Tabla No. 1 DATOS DE ENTRADA Capacidad térmica por unidad de volumen Tabla 1 IEEE TCAP (J/(cm3*ºC)) 3,42 Duración de la corriente tc (s) 0,5 Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE άr (1/ºC) 0,00381 Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE pr (Ohm*m) 1,78

8 Página :8 de 11 1/άo Tabla 1 IEEE Ko (ºC) 242 máxima temperatura permisible Tabla 1 IEEE Tm (ºC) 250 Temperatura ambiente Ta (ºC) 40 Corriente simétrica de falla de secuencia cero Io (a) 893 Tiempo de duración de la falla Ts (s) 0,5 Factor decremental para determinar ig tabla 10 de ieee Df 1 Factor de división de corriente de falla. Se determina considerando el peor tipo de falla y la localización de la misma Sf 0,6 Resistividad del suelo P (ohm.m) 1460 Resistividad de la capa superficial Ps (ohm.m) 6000 Profundidad de la malla H (m) 1 Profundidad de referencia de la malla (generalmente 1 m) Ho (m) 1 Profundidad de la capa superficial Hs (m) 0,2 Separación entre conductores paralelos de la malla D (m) 4,3 Diámetro del conductor de malla D (m) 0,02097 Radio de las varillas de puesta a tierra B (m) 0,0079 Numero de varillas de la malla Nr 12 Longitud de cada varilla de puesta a tierra Lr (m) 2,4 Longitud de la malla en el eje x Lx (m) 33 Longitud de la malla en el eje y Ly (m) 33 Coeficientes que se determinan según K1 1,1 tablas de la figura 25 ieee K2 5,7 Tipo de conductor de malla 500 MCM En la Tabla No.2 se observa que la tensión de paso presente y el valor de la resistencia en la malla durante una eventual falla cumplen con los valores permisibles, estableciéndose así un diseño de la malla de tierra segura para el personal y equipos que se encuentra en la superficie de dicha malla.

9 Página :9 de 11 Tabla No. 2 DATOS DE SALIDA Corriente de falla If (A) 2679,0 Corriente máxima de falla que fluye entre la malla y tierra IG (A) 1607,4 Resistencia de la malla de tierra Rg (Ohm) 18,1 Elevación de potencial de tierra GPR (V) 29123,0 Tensión de paso tolerable E paso (V) 7104,3 Tensión de toque tolerable E toque (V) 1942,6 Tensión de paso real para la malla Es (V) 2915,8 Tensión de toque real para la malla Em (V) 2892,0 RESULTADO GPR<E toque COMPROBAR Em Y Es Es respecto a E paso Em respecto a E toque MALLA OK VOLVER A CALCULAR Resistencia de la malla de tierra - calculo simplificado Rgsimple (Ohm) 19, RESULTADOS El diseño del sistema de puesta tierra se realizó de acuerdo con lo estipulado en el artículo 15 del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas RETIE: Puestas a Tierra [1], utilizando como procedimiento de cálculo el método consignado en la Norma IEEE Std [4].

10 Página :10 de 11 Resistividad aparente del suelo eje de la línea 115 kv = Ω- m. (Ver anexo 1 medida de Resistividad). De acuerdo con los resultados presentados en el numeral anterior, la disposición de puesta a tierra de las estructuras de la línea de entrada 115 kv a la Subestación Campobonito, se muestran en el plano PC Puesta a Tierra. De acuerdo con el Artículo 15 Puestas a Tierra del RETIE [1] se utilizarán exclusivamente uniones termo fundentes (exotérmicas) para las conexiones bajo tierra y conexiones externas, que garanticen una temperatura de fusión igual o superior a la del conductor. Las derivaciones para conexión de la malla de tierra a las estructuras metálicas (torres), serán de calibre (2/0 AWG). La separación mínima entre conductores de la malla de puesta a tierra será de 4,3 m. Para garantizar la buena calidad de las conexiones con soldadura exotérmica, el interventor debe verificar el buen estado de los moldes y tener presente que el promedio de vida de los moldes para soldadura exotérmica es de 20 soldaduras. Una vez se construya la malla de puesta a tierra debe verificarse que la resistencia de puesta a tierra corresponda a valores permitidos. De no ser así deben instalarse contrapesos. El valor de la resistencia de la malla de puesta a tierra, de acuerdo con la tabla No 2 es de 19,61 Ω, el cual cumple con la especificación RETIE para Torres de Alta tensión 115 kv (20 Ω). La tensión de paso real y de la resistencia de puesta a tierra cumple con los valores especificados en el diseño, pero el valor de la tensión de Toque es mayor que el valor real, por tal razón es necesario: para la estructura (torre) que está localizada frente a la subestación, se recomienda equipotencializar las mallas de puesta a tierra diseñada con la de la subestación Campobonito 115 kv. Para las otras dos estructuras (torres), se recomienda la instalación de contrapesos hasta que la medida de la tensión de Toque cumpla con lo establecido en el diseño. NOTA: La malla de puesta a tierra de la Subestación Campobonito, se debe interconectar con la malla de puesta a tierra de la estructura de llegada, con el fin de disminuir el valor de la tensión de Toque. De igual manera al finalizar la construcción de las mallas de puesta a tierra de las tres torres de la línea, se debe medir el valor de resistencia del sistema, si las mediciones están por encima del valor de 20,0 Ohmios, se deben colocar contrapesos. 4 REFERENCIAS [1] Reglamento Técnico de las Instalaciones Eléctricas RETIE [2] Código Eléctrico Colombiano NTC

11 Página :11 de 11 [3] National Electrical Code NEC Edition [4] "IEEE Guide For Safety in Ac Substation Grounding". IEEE Standard [5] Catalogo de cables de Centelsa (Cobre desnudo).