UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO DPTO. INGENIERÍA ELÉCTRICA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGIA ELECTRICA 5 TO NIVEL Dimensionamiento de Mallas de Puesta a Tierra en Estaciones Transformadoras. Resumen de Cálculo (Guide for Safety AC Substation Grounding. ANSI/ IEEE Std ) Realizarón: Martín Rucci - Nicolás Di Ruscio Corrección y Supervisión: Ing. Jorge Nocino Revisión_1, Julio 2013

2 Índice de contenido 8.3 Criterio de Tensiones de Paso y Contacto (Estep, Etouch) Sección del conductor de la malla Geometría de la red Rango de la resistividad del terreno Tensión de Malla (Em) Tensión de Paso (Es) Evaluación de la Resistencia de Tierra (Rg)... 6 Tabla de simbología de 11

3 8.3 Criterio de Tensiones de Paso y Contacto (Estep, Etouch) La tensión máxima de cualquier circuito accidental no debe exceder de los límites definidos de la siguiente manera. Para la tensión de paso el límite es: Estep = ( R Body + 2.R feet ) I B R Body = R Cuerpo = 1000Ω R Feet = R Pié = 3. ρ S R Piés en Serie = 2. R Pié = ρ S = 6. ρ S (para una persona de 50 kg) De modo similar, para la tensión de contacto el límite será: (para una persona de 70 kg) Etouch = ( R Body + R feet / 2) I B R Piés en Paralelo = R Pié / 2= 3. ρ S / 2 = 1,5. ρ S (para una persona de 50 kg) (para una persona de 70 kg) ρ S = es la resistividad superficial del suelo en Ω m2/m = Ω m t S es la duración de la corriente de choque en segundos (se adopta usualmente 0,5 s) Si no se emplea una capa superficial de mayor resistividad, entonces Cs =1 and ρ S = ρ Sección del conductor de la malla. I valor eficaz de la corriente de falla en ka A mm2 sección del conductor a enterrar en mm 2 (adoptamos entre 90 y 120 mm 2 ) 3 de 11

4 T m máxima temperatura admisible en C T a temperatura ambiente en C adoptamos 20 C) T r temperatura de referencia para las constantes de los materiales en C α 0 coeficiente térmico de resistividad a 0 C α r resistividad del conductor 1/ C ρ r resistividad del conductor en μω-cm K 0 vale (1/α 0 ) or [(1/α r ) T r ] en C t c duración de la corriente en segundos TCAP factor de capacidad térmica en J/(cm 3 C) Geometría de la red. El espaciamiento típico entre conductores es de 5 a 15 m. La profundidad de enterramiento de los conductores de malla se considera 0,8 m. Rango de la resistividad del terreno. Tipo de tierra Promedio de resistividad (Ω m) Suelo orgánico mojado 10 Humedal 100 Suelo seco 1000 Lecho rocoso Tensión de Malla (Em) Los valores de tensión de malla se obtienen como un producto del factor geométrico, Km; un factor de corrección, Ki, que da cuenta de algunos de los errores introducidos por los supuestos 4 de 11

5 hechos en la obtención de Km, la resistividad del terreno, ρ, y la corriente media por unidad de longitud efectiva del conductor enterrado de puesta a tierra (I G / L M ). Em = ρ. Km. Ki. I G / L M El factor geométrico Km (Sverak [B132]), es como sigue: Para mallas con jabalinas a lo largo del perímetro, o para mallas con jabalinas en las esquinas de la malla, así como tanto a lo largo del perímetro y en todo el área de la cuadrícula: Kii = 1 En el caso de mallas sin jabalinas, o con algunas ubicadas fuera de los perímetros o de las esquinas. Kii = 1/ (2n) 2/n Por otro lado, ho = 1m (Profundidad de referencia de la malla) Usando cuatro componentes para la forma de la malla (Thapar, Gerez, Balakrishnan, y Blank [B144]), el número efectivo de conductores paralelos en una cuadrícula dada, n, puede ser aplicable a las redes rectangulares o de forma irregular que representan el número de conductores paralelos de una malla rectangular equivalente. n = na nb nc nd na = 2.L C /L P nb = 1 para mallas cuadradas nc = 1 para mallas cuadradas o rectangulares nd = 1 para mallas cuadradas, rectangulares o en forma de L De otro modo: 5 de 11

6 L C L P longitud total del conductor de la malla en m longitud del perímetro de la malla en m A área total de la malla en m 2 L x L y longitud máxima del conductor de la red en la dirección X, m longitud máxima del conductor de la red en la dirección Y, m Dm D h d distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la red, m espaciamiento entre conductores paralelos, m profundidad de los conductores de la malla m diámetro del conductor de tierra, m El factor de irregularidad, Ki, que se utiliza en conjunción con el n que se ha definido anteriormente es: (1) K i = n Para mallas sin jabalinas de tierra, o mallas con sólo unas pocas jabalinas dispersas en la malla, pero ninguna situada en las esquinas o a lo largo del perímetro de la malla, la longitud efectiva enterrada, L, es: L = L C + L R L R longitud total de las jabalinas de tierra, m L C longitud total del conductor de la red o malla en m Para otros casos L= Lc+1,15 L R. O más exactamente, cuando tenemos mallas irregulares con jabalinas en el perímetro y/ o en el interior de la misma Siendo Lr, la longitud de una jabalina..2 Estimación de la Mínima Longitud de Conductores a Enterrar Si este valor de Emesh se iguala al valor máximo tolerable antes calculado E touch, resulta:. Km. Ki. IG / L = ( ,5. s). 0,157 / ts 1/2 L =. Km. Ki. IG. Ts 1/2 / [( ,5. s). 0,157] Con el dato de L y el de Rg (resistencia de dispersión de la red), se tienen dos datos básicos para el diseño de la red, que podrá afinarse sobre el plano de planta de la subestación. Si la longitud de conductor resultante por razones geométricas y físicas, por la necesidad de conexión de todo el equipamiento, es mayor que el valor L calculado, el problema está básicamente resuelto. De lo contrario, deberán reducirse las dimensiones de la cuadrícula hasta obtener el valor de L necesario para el control de los gradientes. 6 de 11

7 .3 Tensión de Paso (Es) Los valores de tensión de paso se obtienen como un producto del factor geométrico, Ks; un factor de corrección, Ki, la resistividad del terreno, ρ, y la corriente media por unidad de longitud efectiva del conductor enterrado de puesta a tierra (I G / L S ). Es = ρ Ks Ki I G / L S Con Ki calculado como en (1), y el n ya obtenido. Para mallas con o sin jabalinas, la longitud efectiva de conductor enterrado, L S, es: L s = 0.75 L C L R Se supone que la tensión de paso se produce a una distancia de 1 m. Para la profundidad de enterramiento de 0.25 m < h < 2.5 m (Sverak [B132]), Ks es: 14. Evaluación de la Resistencia de Tierra (Rg) Según Sverak [B132] la ecuación simplificada que tiene en cuenta el efecto de la profundidad de enterramiento de la malla, aplicable para mallas sin o con unas pocas jabalinas A área cubierta por la malla en m 2 h profundidad de enterramiento de la malla en m L T longitud efectiva total del conductor de puesta a tierra del sistema, incluyendo la red y jabalinas en m. Schwarz utiliza la siguiente ecuación introducida por Sunde [B130] y Rudenberg [B127] para introducir la combinación de la resistencia de la malla (conductores horizontales),jabalinas (conductores verticales), y la resistencia de mutua para calcular la resistencia total del sistema, Rg. R 1 R 2 resistencia de los conductores de la malla en Ω resistencia del conjunto de jabalinas en Ω R m resistencia de tierra mutua entre el grupo de conductores de la malla, R1, y el grupo de jabalinas, R2 en Ω. 7 de 11

8 ρ resistividad del suelo en Ω m L C Longitud total del conductor de la red o malla en m a' = a radio del conductor en m (diámetro / 2) A área cubierta por la malla en m 2 Para simplificar, adoptamos lo siguiente: k 1 = -0,04. x + 1,41 k 2 = 0,15. x + 5,5 x = Largo / Ancho (lado mayor de la malla / lado menor) L r longitud de cada jabalina en m b radio de la jabalina en m. n R cantidad de jabalinas La resistencia de tierra mutua entre el grupo de conductores de la malla, R1, y el grupo de jabalinas, R2 en Ω, es: 8 de 11

9 Tabla de simbologías. Símbolo Descripción Capítulo N (IEEE STD ) ρ Resistividad del suelo, Ω m Clause 13 ρs Resistividad de la capa superficial, Ω m 7.4, I 0 Corriente de falla para dimensionamiento del conductor, A 15.3 A Ärea total encerrada por la malla, m Cs Factor de reducción de la capa superficial 7.4 d Diametro del conductor de la malla, m D Espaciamiento entre conductores paralelos, m Df Factor de decremento para determinar IG , Dm Em La distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la red, m Tensión de malla entre el centro de la malla y la esquina para el método simplificado, V Es Tensión de paso para una distancia de 1m Estep50 Estep70 Tensión de paso tolerable para el ser humano con 50 kg de peso corporal, V Tensión de paso tolerable para el ser humano con 70 kg de peso corporal, V Etouch50 Tensión de contacto tolerable para el consumo humano con 50 kg de peso corporal, V Etouch70 Tensión de contacto tolerable para el consumo humano con 70 kg de peso corporal, V h Profundidad de conductores de la rejilla del suelo, m hs Espesor de la capa superficial, m 7.4 IG Corriente de red máxima que fluye entre la malla y sus alrededores Ig Corriente de red simétrica, A K Kh Factor de reflexión entre las diferentes resistividades Factor de ponderación correctiva que hace hincapié en los efectos de la profundidad de la red, método simplificado de 11

10 Ki Kii Símbolo Descripción Capítulo N (IEEE STD ) Factor de corrección de geometría de la red, método simplificado Factor de ponderación correctiva que se ajusta a los efectos de los conductores internos en la esquina de la malla, método simplificado Km Factor de separación para la tensión de la malla Ks Factor de separación para la tensión de paso L C L M Longitud total del conductor de la red o malla, m Longitud efectiva de Lc + LR para la tensión de la malla, m 14.3 L R Longitud total de las jabalinas de tierra, m Lr L S L T Lx Ly n Longitud de la jabalina de tierra en cada lugar, m Longitud efectiva de Lc + LR para la tensión de paso, m Longitud efectiva total del conductor de puesta a tierra del sistema, incluyendo la red y jabalinas de tierra, m La longitud máxima del conductor de la red en la dirección X, m La longitud máxima del conductor de la red en la dirección Y, m Factor geométrico compuesto por factores na, nb, nc y nd 14.3, 14.2 n R Número de jabalinas colocados en el área A 14.3 Rg Resistencia del sistema de puesta a tierra, Ω Sf Factor de división de la corriente de falla (split factor) tc tf ts Duración de la corriente de falla para dimensionamiento del conductor de tierra, segundos Duración del fallo para determinar el factor de decremento, segundos Duración de choque para determinar la corriente permisible del cuerpo, segundos de 11

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