UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO. Ingeniería Eléctrica TP Nº2:

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1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL ROSARIO Ingeniería Eléctrica TP Nº2: CÁLCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EN UNA ESTACIÓN TRANSFORMADORA. NORMA ANSI / IEEE STANDARD Profesores: Ing. Juan Carlos Cortelloni Ing. Jorge Adrián Nocino. Asignatura: Transmisión y distribución de la energía eléctrica. Alumno: López Beduino, César Andrés. Leg: Curso: 5º

2 PROBLEMA ABIERTO Diseñar la puesta a tierra de la estación transformadora. Datos: Dimensiones del terreno.50 [m] de largo y 40[m] de ancho Resistividad del suelo..300 [Ωm] Resistividad superficial [Ωm] Tiempo de despeje de la falla. 0,8 [seg] Corriente de corto-circuito [A] Tensión de servicio..34,5 [Kv] La malla de PAT debe: 1. Proveer de forma confiable durante todo el período de vida útil de la estación transformadora un valor de impedancia bajo que asegure: i. Una rápida reflexión negativa que neutralice la sobretensión que envían a tierra descargadores y explosores, ii. Un camino para las corrientes de fallas iii. La conexión a tierra de los neutros de los transformadores, iv. Asegurar que las partes metálicas de los equipos estén a potencial de tierra, v. Asegurar el rápido, selectivo y correcto funcionamiento de las protecciones de tierra. 2. Soportar sin deteriorarse las corrientes de fallas y de descargas atmosféricas. Debe tenerse en cuenta en su diseño los posibles incrementos de la potencia de cortocircuito que podrían registrarse. Es muy difícil ampliar o mejorar la malla de PAT luego de construida la estación transformadora. 3. Resistir la corrosión química y galvánica existente en el lugar de emplazamiento de la malla de forma de asegurar un funcionamiento aceptable durante la vida útil de la estación transformadora. Se debe seleccionar un material capaz de soportar la acción de los agentes químicos y electroquímicos existentes en el punto de emplazamiento de la malla. 4. Poseer buenas cualidades mecánicas, acordes con las exigencias de instalación y durante su vida útil. 5. Ser económica, lo que debería ser la base de todos los cálculos ingenieriles. Existen aspectos económicos interesantes de considerar en el establecimiento de la cuadriga que conforma la malla como los materiales que se utilizan. En ese sentido, la evaluación debe corresponderse con el costo total, considerando un mínimo de treinta años que se espera que viva una estación transformadora López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 1

3 Cálculo de la malla Valores límites de diseño Las resistencias de contacto de pies y manos son iguales a cero (es decir, que se supone que la persona no lleva zapatos ni guantes). La resistencia del cuerpo humano (R b ), tanto entre mano-ambos pies como manomano y pié-pié, se representa con un valor de 1000 [Ω]. Corriente admisible soportada por el cuerpo humano. (Para una persona de 50 Kg) (Para una persona de 70 Kg) También ha sido determinado que la resistencia de los dos pies en serie es: Donde C s es el coeficiente de reducción de la capa superficial. Se adopta una capa superficial de espesor 0,15 m (h s ). Y que la resistencia de los pies en paralelo es La tensión de paso real deberá ser menor que la máxima tensión de paso tolerable para asegurar la seguridad de las personas. Las tensiones reales de contacto de malla o de transferencia deben ser menores que la máxima tensión de contacto tolerable, para asegurar la seguridad de las personas. Se calculan los valores límites para personas de 70 kg Valor límite para la tensión de paso. Valor límite para la tensión de contacto López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 2

4 Sección mínima del conductor de tierra La sección mínima de los conductores de tierra se determinada en función de la corriente máxima previsible de falla. IF = Corriente asimétrica de falla RMS en KA, se usa la más elevada encontrada. Amm 2 = Área del conductor en mm2. Tm = Máxima temperatura disponible o temperatura de fusión en C C Ta = Temperatura ambiente en C. 40 C T r = Temperatura de referencia para las constantes del material en C. 20 C α0 = Coeficiente térmico de resistividad a 0 C en 1/ C. αr = Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr 1/ C. 0, / C ρr= Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr μω-cm Ko = 1/α0 o [(1/α r ) Tr] en C TC = Duración de la corriente en seg. 0.8 TCAP = Capacidad térmica por unidad de volumen en J / (cm 3 * C) El valor de la corriente de falla en nuestro caso es de 5000 [A], pero como la estación tiene dos líneas con hilo de guardia, donde ante una falla, el 10% de la corriente se fuga por los mismos hilos, siendo la corriente I = 4500 [A] o 4,5 [KA] Adoptamos un conductor de cobre con alma de acero con las siguientes características López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 3

5 Resultando: El diseño de la red se ha mantenido, basado en un criterio de prevención de los daños producidos por corrosión, con sección mínima 90 mm 2 constituido por 7 hilos de cobre. Por lo tanto, adoptamos para nuestro caso un conductor desnudo de acero/cobre tipo A-30 IRAM 2467 sección nominal 95 mm 2, obtenido del catálogo de FACBSA, cuyos datos se pueden ver a continuación: López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 4

6 Geometría de la red La disposición de la malla es la siguiente, el espaciamiento entre conductores es de 1,25 m a lo ancho (horizontal) y de 1,25 m a lo largo (vertical), y la profundidad de empotramiento en el suelo de 0,8 m. Las cantidades de conductores de la red, son los siguientes: A lo largo de la malla (Horizontales)..41 conductores en paralelo. A lo ancho de la malla (Verticales).33 conductores en paralelo. La cantidad en metros que se requiere para cubrir toda el área horizontal y vertical son los siguientes 33 conductores x 50 m = conductores x 40 m = Total= 3290 metros de conductores. Contribución de las Jabalinas La jabalinas de neutros y descargadores se vinculan a la malla de tierra y deben ser tenidas en cuenta al determinar el valor total del sistema de puesta a tierra. Asimismo, cuando es difícil alcanzar los valores pretendidos con la malla solamente, el uso de jabalinas es el recurso adecuado para alcanzar dichos valores. Debido a su influencia mutua, la resistencia total de la combinación red horizontal de conductores-electrodos verticales es menor que cualquiera de los componentes separados pero mayor que la resistencia de su conexión en paralelo. Optaremos en colocar 60 jabalinas de acero-cobre IRAM 2309 marca GENROD de dimensiones nominales ½ x mm, compuesta por 2 tramos, uno de 3000 mm y otro de 1500 mm López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 5

7 Tensión de Malla (E m ). Los valores de tensión de malla se obtienen como un producto del factor geométrico, K m ; un factor de corrección, K i, que da cuenta de algunos de los errores introducidos por los supuestos hechos en la obtención de K m, 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 ). El factor geométrico K m, se calcula de la siguiente manera: 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 toda el área de la cuadrícula: h 0 = 1 m (Profundidad de referencia de la malla) Usando cuatro componentes para la forma de la malla (Thapar, Gerez, Balakrishnan, y Blank), 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. López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 6

8 L C longitud total del conductor de la malla en m. L P longitud del perímetro de la malla en m. A área total de la malla en m 2 L x longitud máxima del conductor de la red en la dirección X, m. L y longitud máxima del conductor de la red en la dirección Y, m. D m distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la red, m. D espaciamiento entre conductores paralelos, m. h profundidad de los conductores de la malla m. d diámetro del conductor de tierra, m. El factor de irregularidad, K i El factor de irregularidad, L M L R L C L r longitud total de las jabalinas de tierra, m longitud total del conductor de la red o malla en m longitud de una jabalina. Finalmente la tensión de malla será: El valor obtenido de tensión de malla (560 V) es inferior al valor límite de tensión de contacto (599 V). López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 7

9 Estimación de la mínima longitud de conductores a enterrar. Si este valor de E mesh se iguala al valor máximo tolerable antes calculado E touch, resulta: Con el dato de L y el de R g (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. Para nuestro caso la longitud de conductores es de 3290 m. Tensión de paso (Es). Los valores de tensión de paso se obtienen como un producto del factor geométrico, K s ; un factor de corrección, K i, 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 ). Con K i calculado, y el n ya obtenido. Para mallas con o sin jabalinas, la longitud efectiva de conductor enterrado, L S, es: 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. López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 8

10 Finalmente calculamos la tensión de paso La tensión de paso obtenida (1850 V) es inferior al valor límite de tensión de paso (1869 V). Red de puesta a tierra Una puesta a tierra ideal debería ser de una resistencia cercana a cero. En la práctica, la elevación de potencial de la red se incrementa proporcionalmente con la corriente de falla. Por lo tanto, cuanto mayor sea la intensidad de falla, menor debería ser la resistencia de dispersión a obtener. El valor máximo permitido de la resistencia de puesta a tierra para subestaciones de media tensión tiene que ser de R gmax = 10 [Ω]. ρ resistividad del suelo encontrada por los conductores de red enterrados a la profundidad h (Ω.m). L c = longitud total de los conductores de la red (m). L r = longitud promedio de las jabalinas (m). h= profundidad de empotramiento de la red (m). h = (d 1 h) 1/2 para conductores enterrados a la profundidad h. A= área cubierta por la red. n r = número de jabalinas dentro del área A. K 1 ; K 2 = constantes relacionadas con la geometría del sistema. d 1 = diámetro de los conductores de la red (m). d 2 =diámetro de las jabalinas (m). López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 9

11 Las curvas para las constantes K 1 y K 2 se pueden observar a continuación: Para entrar en estas tablas es necesario calcular la relación largo-ancho de la malla de puesta a tierra: 50 m/40 m =1,25 Con esta relación, se puede entrar en la curva. Nosotros para minimizar el error gráfico utilizaremos la ecuación correspondiente a la curva elegida (curva A): K 1 = -0,04 x + 1,41 = -0,04. 1,25 + 1,41 = 1,36 K 2 = 0,15 x + 5,5 = 0,15. 1,25 + 5,5 = 5,688 Calcularemos ahora h (se calcula para conductores enterrados a la profundidad h de empotramiento de la red): Con estos resultados estamos en condiciones de calcular la resistencia de dispersión a tierra. López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 10

12 El valor de la resistencia de tierra nos da 3,01 Ω, siendo lo normativo menor que 10 Ω, por lo tanto estamos dentro de los limites permitido. Variantes Se ha comprobado que la red de PAT calculada cumple con los requisitos de la norma, pero puede resultar antieconómica. Se evaluaron dos opciones para bajar costos. Bibliografía Aumentar el área de la malla de puesta a tierra, en caso de ser posible. Se realiza una malla de 60 x 50 m, espaciar los conductores paralelos 1,5 m, utilizar 35 jabalinas de 4,5 m obteniendo una tensión de malla de 592 V, una tensión de paso de 1464 V y una resistencia de dispersión de tierra de 2.54 Ω. Reducir la resistividad del terreno de 300 a 100 Ω m, distanciar los conductores paralelos 5 m, utilizar 15 jabalinas de 4,5 m, obtenemos una tensión de malla de 599 V, una tensión de paso de 416 V y una resistencia de dispersión de 1,10 Ω. Apunte de la cátedra: Dimensionamiento_de_Mallas_de_PAT_en_EETT. Año 2013 TP de la cátedra: Puesta a tierra de la ET Echesortu. Año Norma IEEE Std (Revision of IEEE Std ): IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. Año López Beduino, César Andrés. Leg UTN Regional Rosario Pag 11