[4,5,6] ALGORITMO PARA EL DISEÑO DE UNA RED O MALLA DE TIERRAS EN SUBESTACIONES 19
2.1 Metodología para el diseño de la malla La NOM-SEDE-001-2005[4] indica que el diseño de una red de tierras debe tener presente los potenciales de paso y de contacto que salvaguarden la vida de las personas. Para subestaciones, la Norma Oficial Mexicana, NOM -001-SEDE-2005 [4] establece que La resistencia del sistema de tierra incluyendo todos los elementos que lo forman, debe conservarse en un valor menor a 25 Ω para subestaciones hasta 250 kva y 34.5 kv, 10 Ω en subestaciones mayores de 250 kva y 34.5 kv y de 5 Ω en subestaciones mayores a 250 kva que operen con tensiones mayores a 34.5kV. La limitante para este tipo de sistemas es la seguridad del personal, ya que en el caso fortuito de una falla a tierra, la tensión de paso generada en el suelo puede ser tan alta que llega a ser letal para una persona. Lo anterior se controla usando las mallas de tierra, que disminuyen la resistencia de tierra y las inductancias que se generan con corrientes de alta frecuencia, y además con el uso múltiple de conductores horizontales y verticales, se controlan las sobretensiones generadas en el suelo. Las mallas están formadas normalmente por conductores enterrados unidos entre sí con soldadura exotérmica o con conectores junto con varillas verticales. 2.1.1 Guía del diseño de la malla Esta guía de cálculo está basada en la norma del Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica IEEE-STD 80-2000, Guide for Safety in AC Substation Grounding y tiene como fin el de establecer con bases de diseño los límites seguros de diferencias de potencial que puedan existir en una subestación en condiciones de falla entre puntos en los que pueda la corriente encontrar un camino por el cuerpo humano. La seguridad de la malla en instalaciones eléctricas en media y alta tensión tiene en principio básicamente dos aspectos: a) Proporcionar los medios para transportar las corrientes eléctricas hacia la tierra bajo condiciones normales y de falla sin exceder algún límite de operación o de equipo o afectar adversamente la continuidad del servicio. b) Asegurar que una persona dentro del área aterrizada no esté expuesta al peligro de descargas eléctricas críticas. 20
Ésto quiere decir que la malla de tierras debe ser diseñada para resistir tanto las corrientes normales de tierra como las de falla sin afectar el servicio continuo de energía eléctrica y si es así debido a una falla, que sea sin afectar severamente los equipos o el personal que labora en la subestación o que por alguna causa fortuita se encuentre dentro de esta en el momento de una falla, para lograr esta seguridad en la malla de tierras se debe cuidar los dos caminos de tierra de baja impedancia que en caso de falla pudiera tomar la alta corriente que son dos: a) Tierra Internacional: Consiste precisamente en electrodos interconectados y enterrados en conjunto que nos proporcionarán una baja y sólida resistencia a tierra. b) Tierra Accidental: Establecida temporalmente por una persona que esta parada justo arriba o cercana al área donde se dispuso la malla de tierras y que por motivo de una falla eléctrica se encuentra expuesta al peligro de una debida a gradientes o puntos altos de voltaje en el instante de dicha falla. Al proponer una instalación de puesta a tierra para una subestación, se debe realizar el siguiente procedimiento: Investigar las características del suelo. Determinar las corrientes máximas de puesta a tierra y el tiempo máximo de eliminación del defecto. Diseñar la instalación de tierra. Calcular las tensiones de paso y contacto en el interior de la instalación. Calcular las tensiones de paso en el exterior de la instalación. Calcular la resistencia del sistema. Comprobar que las tensiones de paso y contacto calculadas son inferiores a las admisibles. Investigar las tensiones transferibles al exterior por tuberías, rieles, conductores de neutro, etc. Corregir y ajustar el diseño inicial estableciendo el definitivo. 21
2.2 Algoritmo matemático para el diseño de mallas de tierra en subestaciones Este método de cálculo está encaminado a dar una solución práctica al diseño de sistemas de tierra basado en establecer límites seguros de diferencias de potencial que pueden existir en una subestación, bajo condiciones de falla, entre puntos que pueden ser tocados por el ser humano. Se considera que el sistema de tierras está formado por una capa de conductores de cobre enterrados horizontalmente y verticalmente a una profundidad de 0.3 a 1.0 metro debajo de la superficie, aproximadamente, y las varillas electrodo serán copperweld de aproximadamente 5/8 de diámetro y unos tres metros de longitud, principalmente cuando la resistividad del terreno es alta en la superficie. El método de cálculo que se presenta a continuación, es para suelos de dos capas y está basado en las recomendaciones del IEEE- STD 80 2000, Guide for Safety in AC Substation Grounding. Propuesta de malla: Para realizar los cálculos de una malla se necesitan conocer algunos datos, tales como: Tabla 2.1 Datos de malla. Datos de la malla propuesta. n = número de varillas en la malla Na = número de conductores en paralelo en la dirección corta Na <=Nb Nb = número de conductores en paralelo en la dirección larga Nb <= 25 D = espaciamiento entre conductores (m) D>2.5m Dimensiones de la malla: El objetivo es encontrar un acomodo físico de conductores y varillas que una vez enterrados, bajo la corriente de falla calculada, no provoquen un potencial de paso y de contacto superiores a los tolerables por el cuerpo humano. 22
Datos de entrada: Para realizar un cálculo matemático se necesita tener datos del terreno, de varilla de conductores, etcétera; que en seguida se describen: Datos del terreno Tabla 2.2 Datos de entrada ρ = resistividad (Ω-m) ρ = resistividad superficial (Ω-m) H = grueso de la capa superficial (m) Datos de las varillas electrodo H = profundidad mínima de varilla (m) L = largo (m) R = radio del electrodo Datos del conductor enterrado a = radio (m) 4/0 AWG = > 0.0064m B = longitud total (m) S = profundidad (m) Datos de la falla ts = tiempo de la falla (del estudio de coordinación de protecciones en segundos) Cp = factor de Crecimiento (cuando no se conozca Cp = 1) kv = tensión del sistema (kv) XR = relación X/R en el punto de falla (del cálculo de corto circuito) kva = potencia de falla (kva) If = corriente simétrica de falla (A) Sf = factor de reducción de falla (p.u.) Ig = corriente simétrica de malla (A) If = KVA / KV * 3 Ig = Sf * If Cálculos preliminares: Para los cálculos preliminares se deben conocer datos de conductores como: Cálculo de la longitud total de los conductores de la malla. Tabla 2.3 Datos de cálculos preliminares l1 = (Na-1)D Longitud corta (m) l2 = (Nb-1)D Longitud larga (m) A = l1 * l2 Área encerrada por la malla (m²) N = 0.6 * A Número de electrodos enterrados L PROPUESTA = l1 +Nb + l2 * Na + 1.15 * L * n 23
Cálculo de los potenciales de la malla propuesta Potencial de toque en la malla: Donde: Em = Diferencia de potencial del conductor de la malla y la superficie del terreno al centro del rectángulo de la malla en (V). Km = Coeficiente que toma en cuenta el efecto del número de conductores paralelos, el espaciamiento, el diámetro y la profundidad de enterramiento de los conductores que forman la red. Conclusiones del cálculo Una vez calculadas las tensiones de paso, de contacto y de malla, se comparan dichas tensiones con los valores tolerables del cuerpo humano; que están especificados en la norma IEEE Std 80-2000 [5] y que están mejor especificados en el libro de oro de puesta a tierra universal [6]; y en esta forma, se saben si el diseño preliminar está dentro de los límites de seguridad requeridos. Los parámetros para que una malla sea segura deben ser: Comparación de Potenciales de Toque debe ser Et70>Em. Comparación de Potenciales de Paso debe ser Es70>Es. 24
2.3 Resistencia de malla Para que un sistema de tierras se realice de forma eficiente se debe calcular la resistencia de la malla. 2.3.1 Cálculo de la resistencia de la malla. Calcular la resistencia a tierra del arreglo mencionado en la punto 2.2. En base a la formula de Schwarz para una malla con varillas en dos capas. a) Resistividad Aparente b) Constantes de Geometría para una profundidad S<0.1VA c) Resistencia de los conductores de la malla d) Resistencia de todas las varillas electrodos e) Resistencia total (esperada) del sistema 25
2.4 Sección mínima del conductor del sistema de tierra Para hacer uso de la selección del conductor requerido, es necesario tener en cuenta las ecuaciones s descritas a continuación. 2.4.1 Cálculo del conductor a tierra usando la ecuación de Onderdonk La ecuación de Onderdonk permite seleccionar el conductor de Cu y la unión adecuada para evitar la fusión: IG = Corriente de malla a tierra Tm = Temperatura admisible en conexiones ( C) Ta = Temperatura ambiente ( C) ts = Tiempo de duración de la falla (s) Acon = Área del conductor (mm 2 ) Ecuación de Onderdonk: Donde: Ta = Temperatura ambiente Tm = 1083 C, temperatura de fusión del cobre. Tm = 450 C, temperatura permisible para la soldadura de latón. Tm = 250 C, temperatura permisible para las uniones con conectores. A partir de la tabla que se muestra a continuación se selecciona el calibre del conductor basándose en el tiempo de duración de la falla. Resultados que se obtuvieron a partir de la ecuación anterior. Tabla 2.4 Calibre de conductores de Cobre (Cu) mínimos que previenen la fusión. Tiempo de duración de la falla (s) Cable solo (CM) por Amperes Con uniones de soldadura de latón Con uniones de conectores 30 40 50 65 4 14 20 24 1 7 10 12 0.5 5 6.5 8.5 26
Sobre este tema, la norma oficial mexicana (NOM-001-SEDE-2005), señala en su capítulo para subestaciones ARTICOLO 924, que el área de la sección transversal mínima de los conductores para una malla de tierra es de 107.2 mm 2 (4/0 AWG). 2.5 Limitantes de este método de cálculo Como en todos los métodos y análisis de estudio existen ciertas limitantes es necesario que sean observadas detalladamente y de ser requerido se deberá re analizarlas. 2.5.1 Descripción del área de oportunidad detectada en este método de cálculo Actualmente, para realizar el diseño de una malla de tierras es necesario proponer una malla preliminar que pudiera ser adecuada a la subestación para la que se propone o no, es decir, que cumpla por lo menos con los criterios básicos de seguridad, y es hasta el final de los cálculos, en la comprobación, cuando el proyectista sabrá si su propuesta es adecuada. Si el proyectista no hace buena estimación de las dimensiones de la malla en la fase de propuesta perderá mucho tiempo en cálculos si esta no llega a cumplir las especificaciones señaladas ya que tendrá que repetir los cálculos si su propuesta no resulta adecuada. En caso de haber hecho el cálculo total para el diseño preliminar y encontrar que la malla puede resultar peligrosa, se hace un nuevo diseño, para caer dentro de los límites de seguridad. En este caso se hacen otra vez todos los cálculos, para revisar si el nuevo diseño resulta seguro [5]. 2.5.2 Optimizado de la malla Después de haber realizado los cálculos, para mejorar la operación de la red de tierra se realizan las siguientes actividades: a) Reducir la resistencia total de la red reduciendo el aumento del potencial máximo y por lo tanto, el potencial máximo de transferencia, existen dos formas: Aumentando el área de la red, o cuando el área está confinada, usar varillas enterradas y conectar la red a tubos de pozos profundos. b) Reducir el espaciamiento de los conductores que forman las mallas acercándose en el límite de a la condición de la placa metálica. Esto permite eliminar los potenciales peligrosos. c) Agregar capas de roca (tezontle o grava) a la superficie del suelo dentro de la subestación para aumentar la resistencia en serie con el cuerpo (reduce la corriente por el cuerpo de 20:1) 27
d) Prohibir el paso a ciertas áreas limitadas donde sea poco práctico eliminar la posibilidad de que aparezcan diferencias de potencial excesivas durante las fallas a tierra. e) Realización de mallas de tierra no regulares, estas tienen ventajas sobre las regulares, las ventajas e instrucciones de este método se describen a continuación [6]: Tabla 2.5 Ventajas e instrucciones para mallas de tierra no regulares.[l. HUNG, X. CHEN. Study of unequally spaced grounding Grids. IEEE Transactions on power Delivery] VENTAJAS DE LAS MALLAS NO REGULARES SOBRE LAS REGULARES METODO A SEGUIR PARA RELIZAR MALLAS NO REGULURES. La densidad de corriente emanando de los conductores de la malla es mucho más uniforme. El espaciamiento desigual puede decrementar las gradientes de potencial sobre la superficie de la tierra, y mejorar el nivel de seguridad para la gente y equipos. Ahorra material. Se diseña una malla con cables igualmente espaciados utilizando los procedimientos del estándar IEEE-STD 80-2000, Guide for Safety in AC Substation Grounding, haciendo los ajustes correspondientes a un terreno de dos capas. Manteniendo constante el número total y largo de los cables y varillas, se cambia el espaciamiento progresivamente minimizando la función de gradiente de voltaje. Se eliminan pares de cables del centro de la malla, siempre y cuando no se excedan los límites de seguridad de las tensiones de paso y contacto, y con eso, se termina el proceso. 28