EMPRESA ELECTRICA REGIONAL DEL NORTE S.A. REFORZAMIENTO DEL SISTEMA NACIONAL DE DISTRIBUCION PROCESO: SP No. BID-RNSD-EMELNORTE-ES-FC-002

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1 Pág. 1 de 10 EMPRESA ELECTRICA REGIONAL DEL NORTE S.A. REFORZAMIENTO DEL SISTEMA NACIONAL DE DISTRIBUCION PROCESO: SP No. BID-RNSD-EMELNORTE-ES-FC-002 CONTRATO 051 ESTUDIOS DE DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN EL ROSAL INGENIERÍA BÁSICA MEMORIA DE CÁLCULO: MC SE ROS E 002 DIMENSIONAMIENTO MALLA DE TIERRA JUNIO DE 2015

2 Pág. 2 de 10 CONTENIDO: DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA ANTECEDENTES OBJETIVO DEL DISEÑO ALCANCE CONSIDERACIONES GENERALES Y PARÁMETROS DE ENTRADA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOS DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA MALLA DE TIERRA CONCLUSIONES: RECOMENDACIONES:... 10

3 Pág. 3 de 10 DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA 1 ANTECEDENTES Para el diseño seguro y adecuado de la malla de la S/E, se procedió a realizar las mediciones de la resistencia del suelo, en el sentido longitudinal y en el transversal del terreno de la misma; obteniéndose los resultados se aprecian en la Tabla No. 1. DISTANCIA ENTRE ELECTRODOS DE MEDICIÓN (a una profundidad b=0,25m) VALORES REGISTRADOS DE RESISTENCIA (Ω) MEDICIÓN SÍMBOLO unidad Espacio R Promedio entre Ruta1 Ruta2 Ruta3 (R1+R2+ +Rn)/n electrodos MEDIDA No.1 a1 m 1 34,4 49,5 25,8 36,57 MEDIDA No.2 a2 m 2 15,51 41,3 18,45 25,09 MEDIDA No.3 a3 m 4 22,08 27,41 27,63 25,71 Tabla No. 1 Mediciones de la resistencia del suelo Con los datos obtenidos de las mediciones, se procedió al cálculo de la resistividad aparente del suelo por rutas; y de la resistividad promedio del área de la S/E. Es de advertir que debido al cambio brusco de la resistividad de la tercera capa, que dio lugar a valores de la resistividad aparente muy superiores a los de las dos capas anteriores, en el análisis de homogeneidad del suelo, se procedió a descartar esos valores. En la Figura No. 1, que consta a continuación, se grafican los valores obtenidos para cada ruta, la resistividad aparente promedio del terreno y la resistividad de cálculo, mismas que se indican en la Tabla No RESISTIVIDAD RUTA1 RESISTIVIDAD RUTA 2 RESISTIVIDAD RUTA 3 RESISTIVIDAD PROMEDIO RESISTIVIDAD DE CÁLCULO Figura No. 1 Resistividad aparente y resistividad de cálculo en Ω-m, del terreno

4 Pág. 4 de 10 Siguiendo el procedimiento de la IEEE , se obtuvo la resistividad de cálculo igual a 278,44 (Ω/m) 2 OBJETIVO DEL DISEÑO El objetivo principal del diseño de la malla de tierra es: Limitar las diferencias de potencial que se pudieran presentar en la sub estación bajo condiciones de falla entre diferentes puntos que pudieran resultar conectados al cuerpo humano. Proveer los medios para conducir a tierra las corrientes eléctricas en condiciones normales de operación y bajo condiciones de falla, sin exceder ningún límite operativo o de los equipos, ni afectar a la continuidad del servicio. Asegurar que una persona, en la vecindad de la instalación puesta a tierra, no sea expuesta al riesgo de shock eléctrico. 3 ALCANCE El trabajo, cuya síntesis se presenta a continuación abarcó los siguientes aspectos: Antecedentes, Objetivo y alcance, Consideraciones generales y específicas para el diseño; Medición de la resistencia del suelo de la S/E; Estudios de corto circuito bajo diferentes condiciones de operación (escenarios), para identificar la máxima corriente de falla a tierra; Cálculo de los principales parámetros de la malla de tierra, para determinar los límites de estos, dentro de los cuales se garantiza la seguridad de las personas y de los activos. Diseño geométrico de la malla, adecuado a la implantación del equipamiento y de la conexión a tierra del mismo. Lista de materiales y presupuesto. 4 CONSIDERACIONES GENERALES Y PARÁMETROS DE ENTRADA Para el dimensionamiento de la malla se tomaron en cuenta: La malla cubrirá todo el terreno ocupado por el nuevo equipamiento; es decir, el patio de equipos, el del transformador y la sala de control La resistividad del suelo de la S/E es relativamente baja; y para el dimensionamiento de la malla se consideró que existe una probabilidad del 70 %, de que su valor de cálculo no será superado por la resistividad real del suelo de la S/E. Para el cálculo del valor de la corriente de cortocircuito, se tomaron como base los valores equivalentes entregados por el Cliente, de impedancias de secuencias positiva y cero en los puntos de conexión de la red de EMELNORTE con el Sistema Nacional Interconectado (SNI). Para determinar el máximo valor de corriente de cortocircuito se simularon fallas trifásicas y fallas fase-tierra, para diferentes despachos de generación en el SIN. El peso promedio de las personas que podrían frecuentar los espacios de la S/E será de 70 kg. El máximo tiempo de permanencia de la falla es de 0,5 s. Es una práctica generalizada, aunque no está normado en el sistema eléctrico ecuatoriano, utilizar en las S/Es eléctricas el conductor calibre AWG 4/0, para la construcción de la malla y formar las cuadrículas de esta con suelda auto fundente. La temperatura promedio del suelo en que se construirá la malla, es menor a los 15 (⁰C); El terreno del patio de maniobras se cubrirá con una capa de grava de 10 cm de espesor cuya resistividad es de 3000 (Ω-m).

5 Pág. 5 de 10 Bajo las consideraciones señaladas y teniendo disponibles los datos de entrada que se registran en la Tabla No. 3, que a continuación se presenta y en la constan los parámetros de entrada, se procedió a dimensionar la malla de tierra. PARÁMETROS DE ENTRADA PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LA MALLA DE TIERRA No. Descripción Símbolo Unidad Valor 1 Largo del terreno L m 46 2 Ancho del terreno A m 40 3 Resistividad de cálculo, del suelo ρ Ω Resistividad de la capa de grava ρ Ω Peso promedio de una persona kg 70 6 Tiempo de duración de la falla t s 0,5 7 Voltaje nominal de la red MT UBT kv Voltaje nominal de la red de AT UAT kv 69 9 Profundidad a la que se tiende la malla h m 0,8 10 Espesor de la capa de grava hs m 0,10 11 Material del conductor de la malla Cobre comercial Unión de los nodos de la malla: Con suelda auto-fundente Tabla No. 3 Parámetros de entrada para el dimensionamiento de la malla de tierra 5 RESISTIVIDAD DEL TERRENO La medición de la resistencia del suelo se realizó utilizando el método de las cuatro puntas, con el equipo Telurómetro FLUKE Para el cálculo de la resistividad del suelo se aplicó la metodología recomendada por la norma IEE De los valores registrados se desprende que el suelo corresponde a un tipo orgánico-húmedo, cuya resistividad, cuando esté muy seco, puede alcanzar fácilmente los 10 3 Ω-m (IEEE80 tabla 8). Según el procedimiento establecido por la norma IEEE , el valor de diseño de la resistividad corresponde al valor promedio de las diferentes mediciones realizadas en campo. Conviene señalar que las mediciones se realizaron en una época medianamente húmeda y cuando apenas comenzaba a llover en la zona. Los resultados del cálculo de aprecian en el Reporte de Campo Medición de la Resistencia del Terreno S/E El Rosal (Informe de Ing. Conceptual). 6 ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOS Para dimensionar la malla de tierra se hicieron varias corridas de corto circuitos para diferentes escenarios de despacho de generación; encontrándose que el escenario que mayor impacto presenta sobre la magnitud de la corriente de corto circuito es el correspondiente a la máxima generación en período lluvioso. Se tomó como referencia el año 2023, considerando que para esa fecha ya se habrán incorporado al Sistema Nacional Interconectado, importantes proyectos de generación, algunos de los cuales se registran en el cuadro que se ve a continuación.

6 Pág. 6 de 10 Las centrales que se incorporan al sistema nacional de transmisión hasta el 2023 y que para el estudio de corto circuitos se consideraron despachadas, en horas de Demanda Máxima y durante el período lluvioso constan en la Tabla No. 4. CENTRAL DE GENERACIÓN POTENCIA INSTALADA (MW) Baba 42 Chorrillos 4 Hidrovictoria 10 Sopladora 487 Mazar Dudas 22,3 Quijos Baeza 100 Toachi-Pilatón 50 Toachi-Pilatón 178 Minas 273 Coca Codo Sinclair 1500 Manduriacu 60 Abanico 37,5 Delsitanisagua 115 Tabla No. 4 Centrales despachadas para el estudio de cortocircuitos En la memoria de cálculo MC-SE-ROS-E-001 se encuentra el informe de los estudios de cortocircuitos, del cual se tomó el valor de la corriente que sirvió para el dimensionamiento de la malla. En el sistema de EMELNORTE se consideraron dos condiciones de operación de la red: La primera con la línea entre el Ángel y Chota abierto; y, La segunda con el mismo circuito cerrado. 7 DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA MALLA DE TIERRA Para el cálculo de la malla, se siguió el procedimiento establecido en la Norma IEEE El cálculo se realizó para una configuración convencional con cuadrículas de 5X5 m. la misma que gracias a la baja resistividad del suelo, permitió lograr que los valores obtenidos de potencial de contacto o de toque, el voltaje de paso y la resistencia misma de la malla, se encuentren dentro de valores permitidos para garantizar la seguridad de las personas y los activos de la S/E. En base a las consideraciones arriba indicadas, se procedió inicialmente a la determinación del área de la sección transversal del conductor de la malla y luego se determinó la longitud requerida de éste. En la Plantilla No. 1 se aprecia el procedimiento aplicado y los resultados obtenidos del mismo.

7 Pág. 7 de 10 Paso 1 DATOS DE ENTRADA Resistividad del terreno - ρ Ω-m Resistividad de la capa de grava (ρ s) Ω-m La capa será de 15cm. espesor de la capa de grava hs m 0.10 Profundidad de la malla - h m 0.80 Peso promedio de la persona kg longitud del terreno, L x m Ancho del terreno, L y m Corriente máxima de falla I (máxima) (If) A Corriente pico de corto circuito, I p A Voltaje de la red para la peor condición de falla kv duración de la falla t c s 0.50 Constante de shok (energía tolerada por una persona de70kg ) - S B * IEEE RESISTENCIA DEL CUERPO HUMANO (R B) Ω IEEE Impedancia del transformador (7% 25MVA; 69/13,8kV) Ω na valor asumido, referido a 69kV. Material del conducxtor utilizado para la malla Parámetro o dato unidad valor comentarios DATOS DEL CLIENTE Copper, commercial hard-drawn Paso 2 CÁLCULO DEL ÁREA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL CONDUCTOR a) Determinación de 3I0 Unida Valor Comentarios resistencia R, en el nivel de voltaje más vulnerable Ω 1.85 reactancia X, en el nivel de voltaje más vulnerable Ω Corriente de Secuencia Cero (3I0) A 4.01 IEEE (B.1) relación (X/R) 7.98 b) Determinación del Área de la Sección Transversal del Conductor 1circular mil equivale a mm² mil equivale a: 0, mm² factor de decremento de la corriente D f (considera tf y la relación X/R) CONDUCTOR UTILIZADO PARA LA MALLA * 1.03 IEEE (tabla 10) Copper, commercial hard-drawn conductividad del cobre (%) IEEE (tabla 1) Temperatura de fundición - T mª (º C) IEEE (tabla 1) Constante del material (considera la máxima temperatura permitida de las conexiones), K f * IEEE (Tabla 2) Area de la sección transversal del conductor (A = I Kf tc ) K cmil IEEE anexos (B.2) Area de la sección transversal del conductor - A mm² corresponde a calibre < 2AWG Calibre corespondiente del conductor AWG < #2 diámetro del conductor - d ( A= πd²/4 ; (mm²)) mm 6.38 Calibre seleccionado para la malla: AWG 4/0 por consideraciones de esfuerzos electrodinámicos y térmicos (107,2MM2). Diámetro del conductor seleccionado mm 11.68

8 Pág. 8 de 10 Paso 3 CÁLCULO DE LOS VALORES LÍMITE, DE LOS VOLTAJES DE PASO Y DE CONTÁCTO (Verificación de la efectividad del espesor de la capa superficial de grava) Magnitud o Parámetro Unidad VALOR Factor de Reflexión entre capas de diferentes resistividades, que se encuentran en el área que ocupa la malla K * IEEE (21) Paso 4 Factor (reducción por impacto sobre la capa superficial), C s * 0.72 IEEE (27) (Fig.11) Duración de la corriente de shock ts s 0.50 IEEE (27) El Voltaje Tolerable de Paso y el Voltaje Tolerable de Contacto, se calcularon considerando que las personas que frecuentan la S/E, tienen un peso promedio de 70kG. El máximo voltaje que se tenga en cualquier parte de la instalación, no debe sobrepasar los valores que a continuación se definen: Maximo Voltaje de Paso cntrolable ante cualquier falla E step (70) V IEEE (30) Potencial de Contacto E touch (70) V IEEE (33) DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA área de terreno disponible m² longitud de la malla M l1 m ancho de la malla M a1 m longitud de la malla M l2 m 0.00 ancho de la malla M a2 m 0.00 área de la malla de tierra - A m² número de conductores Cl1 * número de conductores Cl2 * 0.00 número de conductores C a1 * 9.00 número de conductores C a2 * 0.00 espaciamiento de las celdas (D l) m 5.00 espaciamiento de las celdas (D a) m 5.00 longitud total del conductor de la malla (planoo horizontal) Lc m longitud total del perímetro de la mala (L p ) m Ml1 Ml2 Ma1 Ma2 Paso 5 representación de las dimensiones y de las formas posibles de una malla de tierra Cálculo de la Resistencia de la Malla. Resistencia de la Malla de Tierra R g Ω IEEE (52) Paso 6 Cálculo de la Corriente Máxima que circula desde la Malla a Tierra IG factor de división de la corriente (Sf) * IEEE (63) paso 7 Corriente Máxima de la Malla a Tierra IG A IEEE (63, 64) y (B11) Potencial de la malla GPR (esperado) GPR = IG*Rg V Evaluación con potencial de contacto E touch (70) V (Etouch (70) - GPR 0) CONTINUAR VERIFICACIÓN

9 Pág. 9 de 10 paso 8 Voltaje de Celda: (Em=ρ*Km * Ki*IG/LM) (Centro de una celda esquinera de la malla) factor geométrico K m * IEEE (81) factor de corrección (toma en cuenta algunos de los errores introducidos por determinar K m) Ki ; factor de irregularidad Ki=0,644+0,148*n * IEEE (89) factor geométrico n=na*nb*nc*nd (número efectivo de conductores paralelos.) * IEEE (84) na=2lc/lp * IEEE (85) A nb= (Lp/4 A) IEEE (86) para mallas rectangulares, cuadradas o en L: nc=nd * IEEE ; pág 93) D²/(16*h*d) Ln(D²/(16*h*d)) (D+2*h)²/(8*d*D) h/(4*d) Ln(D²/(16*h*d))+((D+2*h)²/(*h*D))-(h/(4*d))) factor de corrección que ajusta los efectos de los conductores internos sobre la celda esquinera (Kii =1/(2*n)**(²/n) Factor de corrección que enfatiza sobre los efectos de la profundidad de la malla kh= (1+h/ho) IEEE (82) IEEE (83) (Kii/kh)*Ln(8/(π*(2*n-1))) Voltaje de celda - Em (E m=ρ*k m * K i*i G/L M) IEEE (80) paso 9 Evaluación con potencial de contacto E touch (70) (Etouch (70) - Em 0) CONTINUAR VERIFICACIÓN paso 10 Voltaje de Paso sobre la esquina exterior de la malla: Es=ρ*Ks * Ki*IG/Ls (punto diagonal a 1m) Longitud efectivamente enterrada de la malla Ls (Ls=0,75*Lc+0,85*LR m IEEE (93) longitud del conductor efectivamente enterrada Ls Ls=0,75Lc+0,85LR lonitud total de las varillas enterradas LR Numero de varillas enterradas Nv longitud de cada varilla Lv Ks =1/ᴨ(1/2h+1/(D+h) + (1/D)(1-0,5(n-²) 0.32 Es IEEE (92) Evaluación con voltaje tolerable de paso E step (70) (Estep(70) - Es 0) EL DISEÑO ES SEGURO Plantilla 1 - Procedimiento de Cálculo de Malla de Puesta a Tierra Norma IEEE-80

10 Pág. 10 de 10 8 CONCLUSIONES: El suelo sobre el que se construirá el patio de maniobras de 69kV de la S/E El Rosal, corresponde a un tipo arcilloso. El valor de cálculo, de la resistividad es de (Ω-m). El valor de la corriente de cortocircuito seleccionado, corresponde a una falla producida durante un régimen de operación del sistema de máxima generación de un período lluvioso en 2023; el valor máximo de la corriente de cortocircuito obtenido es de 7,6 ka. El área de la sección del conductor con que se debe construir la malla corresponde al calibre 4/0 AWG. El área de este conductor es superior al determinado por el cálculo para las condiciones operativas de la malla. Esto es: resistividad del suelo, valores de los cortos circuitos, temperatura de fundición de las uniones de la malla, tiempo de falla y demás parámetros que definen el dimensionamiento adecuado de la malla de puesta a tierra. Si se conecta la malla existente con la diseñada para el patio de 34,5 kv, se incrementa de manera importante la seguridad de la S/E y se evitarán probables diferencias de potencial entre mallas; a la par que, facilita la circulación de las corrientes de falla a tierra. Con el dimensionamiento propuesto se cumplen los requerimientos estandarizados de seguridad sobre el Voltaje de contacto o toque, el voltaje de paso y la resistencia de la malla del patio de 69 kv de la sub estación La esperanza (ver norma IEE ). El diseño de la malla y de las conexiones de los equipos a esta, se puede apreciar en los planos: No. PL-SE-ROS-E-0120 y El valor obtenido de la resistencia de la malla es igual a 3.12 Ω, el mismo que se enmarca dentro de los valores aceptables de resistencias de mallas para patios del mismo nivel de voltaje. 9 RECOMENDACIONES: Conectar la malla existente con la nueva; Durante la construcción de la malla, tender el conductor sobre una delgada capa de material fino; luego de tenderlo, cubrir el conductor también con una capa igualmente de material fino y compactarlo. Esto con el objeto de proteger la integridad de la malla durante la construcción de la obra civil de la S/E y reducir la resistencia de la malla. Después de construida la malla, medir la resistencia de la misma y verificar que el valor de la resistencia medida, se mantenga cercano al valor calculado de 3.12 Ω. Al momento de conectar las mallas, se debe verificar el calibre del conductor de la malla actualmente existente a fin de aplicar: los moldes y la suelda auto fundente adecuados. La Malla de Tierra básicamente formada por conductores de cobre desnudo de calibre # 4/0 AWG, las derivaciones a las estructuras y a los equipos se deben realizar con conductor de cobre desnudo # 2/0 AWG. La malla se construirá con soldadura exotérmica entre conductores. Las grillas o cuadrículas de la malla se deben armar de 5 x 5 m.