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.

DISEÑO DE SPT PARA SUBESTACION ELECTRICA Erick Alfredo Santamaría Moreno e-mail: [email protected]

Yeison David Fuentes Arias e-mail: [email protected]

Edison Fernando Cazulu Moya e-mail: [email protected]

Jeisson Alexander Garzón Lesmes e-mail: [email protected]

Ricardo Andrés Jiménez Barragan e-mail: [email protected] RESUMEN:

En el siguiente informe se presentan las medidas de resistividad del terreno tomadas con el Telurometro Fluke, para así determinar la resistencia aparente del mismo y proceder a diseñar y calcular el sistema de puesta a tierra de una subestación aplicando la normatividad de la IEEE 80. Además se muestra el valor de resistencia medido de la malla a tierra y las soldaduras exotérmicas de los puntos equipotenciales. PALABRAS CLAVE: puesta a corriente de cortocircuito, impedancia.

tierra,

calculo,

1. INTRODUCCIÓN En el mundo de la electricidad, se pueden tener diferentes valores de potencia y tensión que se ven afectadas por el valor de la carga a alimentar, un pequeño escape, subida de tensión, o fallo en el paso de corriente, puede provocar que esta corriente resultante del circuito termine afectando a un objeto que hace parte de la carga o a una persona. Para evitar esto, se han creado diferentes estrategias que cuidan a nuestros componentes y personas, derivando estas corrientes a tierra o retomándolas en el circuito. En este documento se presenciará el procedimiento detallado para realizar el cálculo de una Malla a tierra para una subestación pequeña. Contiene cálculos específicos, toma de medidas necesarios para el cálculo, e información de cómo se realizó esta malla a tierra.

2. OBJETIVO PRINCIPAL Aprender a calcular, planear y realizar la instalación de una puesta a tierra para una subestación eléctrica.

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1.1 OBJETIVOS 1-

2-

3-

Medir, organizar y analizar valores de mediciones de resistividad del terreno necesarios para determinar el tipo de suelo a trabajar. Seguir procedimientos que permita realizar el cálculo del sistema de puesta de una instalación eléctrica basado en lo establecido en IEEE 80 Diseñar el sistema de puesta a tierra según los resultados dados por los cálculos para proceder a la puesta en marcha.

3. MARCO TEORICO

3.1 ¿QUE ES UNA INSTALACIÓN DE PUESTA A TIERRA? La unión eléctrica, con la tierra, de una parte de un circuito eléctrico o de una parte conductora no perteneciente al mismo, se efectúa mediante una instalación depuesta a tierra que, según puede leerse en la ITC MIE RAT 01, Terminología, es "el conjunto formado por electrodos y líneas de tierra de una instalación eléctrica" y, también, en el apartado 3 de la propia RAT 13: "Las instalaciones de puesta a tierra estarán constituidas por uno o varios electrodos enterrados y por las líneas de tierra que conecten dichos electrodos a los elementos que deban quedar puestos a tierra". Otros elementos menos significativos de la instalación de puesta a tierra, tales como: - los puntos de puesta a tierra y - las líneas de enlace con el electrodo de tierra también deberían considerarse, si se desea tener una visión completa de la red de puesta a tierra, conforme se muestra, de manera esquemática, en la figura 1.

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.

f.

Realizar una conexión de baja resistencia con la tierra y con puntos de referencia de los equipos.

Se debe tener presente que el criterio fundamental para garantizar la seguridad de los seres humanos, es la máxima energía eléctrica que pueden soportar, debida a las tensiones de paso, de contacto o transferidas y no el valor de resistencia de puesta a tierra tomado aisladamente. Sin embargo, un bajo valor de la resistencia de puesta a tierra es siempre deseable para disminuir la máxima elevación de potencial o GPR (Ground Potencial Rise). (Energia, Reglamento Tecnico de Instalaciones Electricas RETIE, 2013)

3.1.3 RESISTENCIA A TIERRA Los sistemas de puesta a tierra de acuerdo a la aplicación tienen que cumplir con unos valores establecidos por ley, según la tabla 1 tomada del RETIE. Tabla 1. Valores de Referencia de Resistencia de Puesta a Tierra Figura 1. Elementos de un SPT Imagen tomada de Tierras-Fabio Casas Sobre el primer elemento, el mismo apartado de la RAT 13 añade que: "En las líneas de tierra deberán existir los suficientes puntos de puesta a tierra que faciliten las medidas de comprobaciones del estado de los electrodos y la conexión a tierra de la instalación". Obsérvese que, según que esté aislada o no del terreno, la parte de la línea de tierra comprendida entre un punto de puesta a tierra y el electrodo de puesta a tierra, constituirá la línea de enlace o pasará a formar parte del mismo. [1] 3.1.2 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE PUESTA A TIERRA Los objetivos de un sistema de puesta a tierra (SPT) son: La seguridad de las personas, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética. Las funciones de un sistema de puesta a tierra son: a. b. c.

Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos. Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.

d. c. Servir de referencia común al sistema eléctrico. d. Conducir y disipar con suficiente capacidad las corrientes de falla, electrostática y de rayo. e.

Aplicación Estructuras de líneas de transmisión. (metálicas o con cable de guarda de distribución Subestaciones de AT Y EAT Subestaciones de MT Protección contra rayos Neutro de acometida en BT

Valores máximos de resistencia a tierra 20 Ω

1Ω 10 Ω 10 Ω 25 Ω

Sin embargo, estos valores se encuentran establecidos a cumplir por la legislación Colombiana y referenciados por normas nacionales e internacionales como IEC 60364-4-442, ANSI/IEEE 80, NTC 2050 y NTC 4552, pero más que estos valores se tiene que garantizar las tensiones de paso, contacto y transferidas que son los parámetros claves para la seguridad de las personas. Para este caso la resistencia del diseño de la malla de puesta a tierra no tiene que superar los ohmios indicados, pero por encima de este valor están los parámetros de las tensiones de paso, contacto y transferidas. (Energia, Reglamento Tecnico de Instalaciones Electricas RETIE, 2013)

Transmitir señales de RF en onda media y larga.

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. C-P-P-C P-C-C-P C-C-P-P P-P-C-C C-P-C-P P-C-P-C

3.2 RESISTIVIDAD DEL TERRENO El valor de la resistencia de puesta a tierra y también, el reparto de potencial en el suelo cuando el sistema de puesta a tierra está recorrido por una intensidad de defecto tienen, fundamentalmente, como factor proporcional determinante la resistencia específica o resistividad del terreno y del subsuelo en el que está enterrada. Es por esta razón que la concepción de una red de puesta a tierra requiere, inicialmente, el análisis de la naturaleza del suelo sobre el que vaya a realizarse y la necesidad de tal estudio como primer paso para realizar el proyecto de una instalación de tierra.

ρ=2∗π∗a∗R ρ=6∗π∗a∗R ρ=3∗π∗a∗R

Estos electrodos deben ser colocados en línea recta a una misma distancia entre ellos, a, y a una misma profundidad, las mediciones dependerán de la distancia entre electrodos y del contacto de estos con la tierra

Puede parecer que la investigación de la naturaleza y de la estructura geológica, para determinar la variación de la resistividad en función de la profundidad es más propia de la geofísica pero no es así, pues si bien para calcular la resistencia de una toma de tierra puntual es suficiente el conocimiento del perfil de la resistividad aparente de un terreno, no sucede lo mismo en el caso de una malla de gran extensión, como la de una subestación, por ejemplo. Una de las bases necesarias para determinar la configuración de una red mallada que abarque una gran superficie es el conocimiento de la resistividad a diversas profundidades. (Marquez, 1999)

3.2.1 MÉTODO DE WENNER. Este método fue desarrollado por Frank Wenner y publicado en la Scientific Paper of the Bureau of Standars No. 258 de 11 de octubre de 1915 siendo el normalmente utilizado en la actualidad para la medida de la resistividad del terreno. El método establece el paso de corriente entre dos electrodos alineados en el suelo, y mide la tensión presente, debida a esta corriente en otros dos electrodos. Los cuatro electrodos son equidistantes con separación «a» y en línea recta. La disposición habitual es con los dos electrodos de corriente en los extremos, como se indica en la figura 2. La resistencia medida resultante (R) permite determinar la resistividad (ρ) buscada por la ecuación: ρ=2∗π∗a∗R Ec.(1) Otras disposiciones de los electrodos permiten obtener (ρ) de acuerdo a la siguiente tabla:

Tabla 2. Configuración de electrodos. Configuración de Formula de electrodos resistividad

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Figura 2 Disposición de electrodos El método consiste en inyectar una corriente conocida por los electrodos de prueba C1 y C2. Entre los electrodos de prueba P1 y P2 se mide la diferencia de potencial resultante de la inyección de corriente anterior. Con estos datos se puede calcular la resistencia y el valor de la resistividad del terreno, a una profundidad, b, será:

ρ=2∗π∗a∗R

Ec.(1)

Donde:

ρ=resistividad promedio a la profundidad b a=distancia entre electrodos R=resistencia medida por el Telurometro Como los resultados de la medición son normalmente afectados por materiales metálicos enterrados, se recomienda realizar la medición varias veces cambiando el eje de los electrodos unos 90ª. Cambiando la profundidad y distancia de los electrodos se puede tener un valor de resistividad más aproximado al real y con ello un mejor diseño del sistema de puesta a tierra a construir. (Guzman, 2012)

3.3 ¿QUE ES UNA REACCION EXOTERMICA?

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. Es una re acción química en la cual la energía es liberada. El prefijo (exo) significa salida y (térmico) significa calor o energía. Por lo tanto, se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química en la cual se desprende calor. Se da principalmente en las reacciones de oxidación. 3.3.1 VENTAJAS TECNICAS 1. Las conexiones exotérmicas poseen “ampacidad” (Capacidad de c conducción de corriente) mayor o igual a los conductores que la integran. 2. La capacidad de corriente de la conexión es equivalente a la del cable o conductor. 3. Las conexiones n o so n dañad as cuando se producen altas irrupciones o picos de corriente. (Pruebas realizadas demostraron que corrientes elevadas como las de cortocircuito fundieron el conductor y no la conexión exotérmica) 4. Las conexiones no se deshacen ni sufren corrosión en la p arte de la soldadura, independientemente del ambiente en que se destinan. 5. La conexión no se puede aflojar o desajustar debido a que es una unión molecular permanente. 6. Como la conexión exotérmica se transforma en una parte integrante del conductor, esto evita que se presentan problemas p r insuficiencia de superficie de contacto o puntos de concentración de presiones.

3.3.2 DESVENTAJAS DE LA CONEXION EXOTÉRMICA 1. Las condiciones climáticas inciden directamente en la realización del proceso y pueden posponer el trabajo en sitio durante días. 2. El calor excesivo generado durante la reacción requiere de supervisión debido a los riesgos inherentes de seguridad para el personal. 3. Se requiere de aditamento de seguridad para los operarios, tales como: lentes de seguridad guantes u otros accesorios de protección. 4. Los materiales deben almacenarse en lugares secos, ya que están sujetos a daños por humedad o por calor. 5. Se requieren horas hombres adicionales para la preparación previa a una conexión, esto se debe a MANUAL DE SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA Elaborado por Ing. Gregor Rojas CAPITULO 1 SECCION 1 – 3 la necesidad de limpieza, pre calentamiento de moldes, etc.

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3.3.3 APLICACIONES DE LA SOLDADURA EXOTERMICA En el área eléctrica su principal aplicación está en la interconexión de conductores y se circunscribe a las conexiones entre:  Cable a cable  Cable a barra copperweld para puesta a tierra  Cable a barras rectangulares de cobre o aluminio  Cable a superficies metálicas  Cable a rieles ferroviarios  Cable a cabillas utilizadas en la construcción  Barra a barra rectangular de cobre o aluminio  Barra copperweld a Barra copperweld  Barra rectangular a superficie metálica. (apliwed, 2015)

3.3.4 CONEXIONES EXOTERMICAS Las conexiones eléctricas por soldado exotérmico son un proceso en el que se hace un empalme eléctrico al verter una aleación súper calentada de cobre fundido en el interior de un re cinto en el cual se encuentran alojados los conductores a ser u nidos. Esta aleación de cobre fundido, contenida y controlada dentro de un molde de grafito especialmente diseñado para este fin, hace que los conductores se fundan. Una vez enfriados, los conductores se encuentran empalmados mediante una soldadura de fusión.

4. CÁLCULOS DEL SISTEMA DE

PUESTA A TIERRA A continuación se presenta una descripción de los criterios de diseño de sistemas de puesta a tierra (SPT) con el algoritmo propuesto en IEEE- 80. un sistema de puesta a tierra debe instalarse para limitar los gradientes de potencial de tierra a niveles de tensión y corriente que no pongan en peligro la seguridad de las personas y de los equipos bajo condiciones normales y de falla. Los siguientes parámetros, que dependen del sitio de la subestación, tienen un sustancial impacto en el diseño de la malla de puesta a tierra: Corriente máxima a disipar por la malla (IG):

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. El valor máximo de diseño de la corriente de falla a tierra que fluye a través de la malla de la subestación hasta la tierra circundante está dado por:

I G =I F∗Df ∗S f∗C p

−2∗t f Ta

e 1−¿ ¿ Ta 1+ ∗¿ tf D f =√ ¿

Ec.(2)

Dónde:

I F =3 I 0 =corriente simetrica de falla atierra en A . DF =3 I 0=factor de decremento S F =3 I 0=factor de division de corriente C P=factor de crecimiento futuro de la subestacion

Corriente simétrica de falla a tierra (IF):

Donde:

t f =Duracion de la falla en S T a=Constamte de tiempo de la componente DC X ∗1 R T a= 2∗π∗f

Por razones prácticas, se recomienda hallar los siguientes tipos de falla: a) Falla línea – línea – tierra, ignorando la resistencia de la falla y la resistencia de puesta a tierra de la subestación:

I F (L−L−T )=3∗I 0=

3∗E∗Z 2 Z 1∗( Z 0+ Z 2 )+( Z 2∗Z 0) Ec.(3)

b) Falla línea – tierra, ignorando la resistencia de la falla y la resistencia de puesta a tierra de la subestación:

I F (L−T) =3∗I 0=

3∗E / √ 3 Z 1+Z 2+Z 3

Ec.(4)

Donde:

I f =3 I 0∗D f

Ec. (7)

X , R=comp . imped . subtrans . de falla para hallar X / R Cálculo del factor de división de corriente (Sf): El proceso del cálculo consiste en derivar una representación equivalente de los cables de guarda, neutros, etc. Esto es, conectarlos a la malla en la subestación y luego resolver el equivalente para determinar qué fracción de la corriente total de falla fluye entre la malla y la tierra circundante, y qué fracción fluye a través de los cables de guarda o neutros, hacia las tierras de los pie de torres que entran y sacan líneas de la subestación.

I 0 =Valor RMS de sec.0 de I simetrica de falla en A E=Tension fase−neutro RMS en V Z 1=Impedancia≡. de sec .+ del sistema Z 2=Impedancia≡. de sec .−del sistema Z 0 =Impedancia≡. de sec . 0 del sistema

Corriente Asimétrica

Ec. (6)

Z Z (¿¿ eq) x / y+ Rg ∣ (¿¿ eq) x / y ¿ S F =∣¿

Ec.(8)

Dónde: Ec.(5)

Factor de decremento (Df): En el diseño de la malla a tierra, se debe considerar la corriente asimétrica de falla, la cual resulta de multiplicar la corriente simétrica de falla por el factor de decremento, que a su vez está dado por:

Z x (¿¿ eq) =imped . de x cables guarda e y neutros aliment . y ¿ Rg =resistencia de puesta a tierra de lasubestacion

Duración de la falla (tf) y duración del choque (ts): La duración de la falla y la duración del choque normalmente se asumen iguales, a menos que la duración de la falla sea la suma de choques sucesivos, como los producidos por los recierres automáticos de los reclosers. La selección de tf puede reflejar tiempos de despeje rápidos de la subestación de transmisión y

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. tiempos de despeje lento para subestaciones de distribución e industrial. La selección de tf y tS puede resultar en la combinación más pesimista de factores de decremento de corrientes de falla y corrientes permitidas por el cuerpo humano. Valores típicos para tf y tS están en el rango de 0.25 s a 1 s.

factor de corrección para calcular la resistencia efectiva del pie de una persona en presencia de un material superficial de espesor finito

(

0,09∗ 1− C S=1−

Geometría de la malla

ρ ρS

)

Ec.(9)

2 hs +0,09

Donde: Las limitaciones de los parámetros físicos de una malla de puesta a tierra están basadas en las restricciones físicas y económicas de la misma. Es poco práctico instalar una placa de cobre como sistema de puesta a tierra.

C S=factor de disminucion de la capa superficial ρ=resistividad del terreno(Ω−m) ρS =resistividad de la capa superficial( Ω−m) h s=espesor de lacapa superficial

• Los espaciamientos típicos entre conductores (D) están en el rango: 15m > D > 3m • Las profundidades típicas (h) están en el rango: 1.5m > h ≥ 0.5 m • Los calibres típicos de conductores (ACM) están en el rango: 500 MCM > ACM≥ 2/0 AWG • El diámetro del conductor de la malla tiene un efecto despreciable sobre la tensión de malla. • El área del sistema de puesta a tierra (A) es el factor más importante en la determinación de la resistencia de malla (Rg). Entre mayor sea A, menor será Rg y por lo tanto, es menor la elevación del potencial de tierra (GPR).

Resistividad de la capa superficial (

ρ

Selección del tamaño del conductor: La elevación de temperatura de corto tiempo en un conductor de tierra, o el tamaño requerido del conductor como una función de la corriente de falla que pasa por el conductor, se encuentra mediante la ecuación:

Donde:

A MCM =I f ∗K F∗√t C

Ec.(10)

A MCM =areadel conductor en MCM (Ver tabla 4) I F =corriente asimet . falla RMS , se usa la mas alta . K F =constante para elmaterial (Ver Tabla3) t f =duracionde la corriente en seg .

s):

Una capa de alta resistividad sobre la superficie ayuda a limitar la corriente que pasaría por el cuerpo humano, ya que esta capa agrega una resistencia a la resistencia promedio del cuerpo. Una capa superficial con un espesor (hS) entre 0.15m ≥ hS ≥ 0.1m de un material de alta resistividad como la grava o la roca volcánica triturada, colocada sobre la superficie más arriba de la malla, incrementa la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de las personas en la subestación y la corriente por el cuerpo bajará considerablemente.

Tabla 3. Constantes de Los Materiales Conductores

La reducción depende de los valores relativos de las resistividades del suelo en contacto con la malla, y del espesor y material de la capa superficial. Esta capa tiene una resistividad del orden de 5000 Ω-m > ρS > 2000 Ωm. Una capa con un espesor entre 0.1m y 0.15m. Se introduce aquí el factor de disminución de la capa superficial (CS), que puede ser considerado como un

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.

(

Et 50 kg =( 1000+1,5∗Cs∗Ps )∗

0,116 √ts

)

Ec.(12) Donde:

ver Ec .( 8) C S=factor de dismin .de lacapa superficial ¿ ρS =resistividad delmaterial capa superficial (Ω−m) t S=duraciondel choque en seg . Evaluación de La Resistencia de La Puesta a Tierra Un buen sistema de puesta a tierra proporciona una resistencia baja a una tierra remota, con el fin de minimizar la elevación del potencial de tierra GPR, dada por:

GPR=I G∗RG

Ec. (13)

Donde:

Tabla 4.Dimensiones de Los Conductores de Puesta a Tierra Calibre del conductor MCM AWG 350 300 250 211,6 167,8 133,1

4/0 3/0 2/0

Área ( mm 177,35 152,01 126,68 107,22 85,03 67,44

2

)

Diámetro (m)

I G =corriente maxima a disipar por lamalla RG =Resistencia de la mallade puesta a tierra

. La resistencia de una malla de puesta a tierra fue formulada por Sverak como:

0,015 0,0139 0,0127 0,0117 0,0104 0,0093

Rg =ρ

(

1 1 + ∗ 1+ LT √20∗A

(

1

√

1+ h

(14)

20 A

)

Ec.

Donde: Criterio de tensiones de paso y de toque tolerables: La seguridad de una persona depende de la prevención de cantidades críticas de energía de choque absorbidas por el cuerpo humano, antes de que la falla sea despejada y el sistema des energizado. Los voltajes máximos tolerables por un cuerpo humano de 50 kg. de peso corporal, durante un circuito accidental no debe exceder los siguientes límites:

LT =longuitud total de conductores enterrados( m) ρ=resistividad del terreno Ω−m A=area ocupada por la malla de tierra( m2 ) h=profundidad de la malla (m) . El valor de la tensión real de la malla se obtiene mediante la expresión:

-Tensión de paso límite tolerable por un cuerpo de 50 kg. de peso corporal:

0,116 E p 50 kg= (1000+ 6∗Cs∗Ps )∗ √ts

(

)

Em =

ρ∗I G∗K m∗K i   LM

Ec.(15)

Donde:

Ec.

K m=valor goemetrico de espacimiento de la malla

(11) -Tensión de toque límite tolerable por un cuerpo de 50 kg de peso corporal:

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.

D+2∗h ¿ ¿ ¿2 2∗n−1 8 π∗(¿¿) (¿ ) K h (¿ ¿ 8∗D∗d− ¿)+ ii ∗ln ¿ 4∗d kh 2 D +¿ 16∗h∗d ¿ ln ¿ 1 Km= ∗¿ 2∗π

LC =long . total conductores de la malla horizontal(m) LP =longitud del perímetro de lamalla (m) L X =long . máximade la malla en la dirección X (m) LY =long. máxima de lamalla enla direcciónY (m) D m=Dist . máx . entre 2 ptos . cualqiera de la malla(m) Ec.(16)

k i=0,644+0,148∗n

1 2 /n (2∗n)

LM =LC + L R

Ec.(17)

Es un factor de corrección que tiene en cuenta los efectos de la profundidad de la malla, dado por:

√

h , h =1 h0 0

Ec. (18)

n=na∗nb∗nc∗nd 2∗LC LP X

Ec.(19)

Y

Ec. (20)

√

LP 4∗√ A Dm nd = √ L X 2+ LY 2

nb =

A L X∗LY 0,7∗ L ∗L nc =( ) A

LR =nr∗Lr=longi tud total de todas las varillas . nr=numero de varillas Lr=longitud de cada varilla

Para mallas con muchas varillas de tierra en las esquinas, así como a lo largo del perímetro, la longitud efectiva enterrada (LM) es:

(

(√

LM =LC + 1,55+1,22∗

Lr L X 2 + LY 2

))

∗L R

Ec. (23) Donde:

LC =N∗LX + M∗LY Cálculo de la tensión real de paso Ep: El valor de tensión real de paso se calcula mediante:

n= representa el número de conductores paralelos de una malla rectangular equivalente, y está dado por:

na =

Ec. (22)

Donde:

K h=¿

k h = 1+

Ec. (21)

Para mallas sin varillas de tierra o para mallas con sólo unas pocas varillas esparcidas a través de la malla pero ninguna localizada en las esquinas o a lo largo del perímetro, la longitud efectiva enterrada (LM) es:

Para mallas con varillas de tierra a lo largo del perímetro, o para mallas con varias varillas de tierra en las esquinas, así como para ambas, Kii = 1; donde Kii es un factor de corrección que ajusta los efectos de los conductores sobre la esquina de la malla. Para mallas sin varillas de tierra, o sólo unas pocas, ninguna localizada en las esquinas o sobre el período:

K ii =

Ki es el factor de irregularidad y se define como:

Para mallas cuadradas: n = na ya que nb = nc = nd = 1 Para mallas rectangulares: n = na. nb ya que nc = nd = 1 Para mallas en forma de L: n = na . nb . nc ya que nd = 1 Dónde:

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E p=

ρa∗I G∗K S∗K i LS

Ec. (24)

Para mallas con o sin varillas de tierra, la longitud efectiva del conductor enterrado LS es:

LS =0,75∗LC +0,85∗LR

Ec. (25)

Se asume que el EP máximo ocurre sobre una distancia de 1m hacia fuera del conductor perimetral en el ángulo que bisecta la esquina más extrema de la malla. El valor de KS se calcula si:

1 1 1 1 KS= ∗ + + ∗( 1−0,5n−2 ) π 2∗h D+ h D

(

Ec.(26)

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)

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.

Esta ecuación es válida para profundidades enterramiento de 0.25m < h < 2.5m. (Plata, 2010)

de

DESARROLLO Para poder diseñar, calcular y construir el sistema de puesta a tierra para la subestación fue necesario como primera medida conocer las características del terreno. El lugar asignado para realizar el SPT fue la parte superior de la cancha de futbol del Servicio Nacional De Aprendizaje-Sena, donde sus dimensiones se muestran en la figura 6. 5. RESISTIVIDAD DEL TERRENO

Figura 5. Equipo de Medida Las rutas elegidas para realizar las mediciones en el terreno fueron las siguientes (ver figura 6):

Aplicando el método de medición de resistividad del terreno de Wenner, el cual consiste el tomar 4 puntos de referencia del terreno (ver figura 4)

Figura 6. Área del terreno Figura 4 Medición de Resistividad Los valores que se muestran en la imagen son las siguientes a= distancia entre cada una de las picas. b= profundidad de enterramiento de cada una de las picas. C1 y C2= picas de intensidad (inyectan el voltaje para la medición) P1 y P2= picas de voltímetro (miden la resistividad usando como referencia un voltímetro)

Las medidas del terreno son 45m de ancho y 45m de largo teniendo un área total de 2025 m 2 . Luego se realizaron medidas en las dos rutas indicadas en la figura 6, que se requieren para una subestación; utilizando 6 mediciones por cada ruta, variando las distancias entre cada una de las picas de la siguiente manera:   

Se realizaron las mediciones de la resistividad del terreno y para ello se utilizó el telurómetro Fluke 1623(ver figura 5)

  

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1m de distancia entre las picas para medir 0.8m de profundidad. 2m de distancia entre las picas para medir 1.6m de profundidad 4m de distancia entre las picas para medir 3.2m de profundidad 6m de distancia entre las picas para medir 4,8m de profundidad 8m de distancia entre las picas para medir 6.4m de profundidad. 10m de distancia entre las picas para medir 8m de profundidad

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.

Tabla 6. Datos de Resistividad Resistividad del terreno

Grafico 1. Ruta 1 vs Ruta 2 Figura 7. Toma de Medidas (m)

Figura 8. Tomando medidas de resistividad del terreno. Al realizar cada una de las mediciones en cada ruta se obtuvieron los siguientes resultados de resistencia del terreno registrados con el telurómetro Fluke, los cuales se observan en la Tabla 5. Tabla 5. Datos de Resistencia (Ω)

El grafico 1 muestra los datos de la tabla 6 en una forma más clara; es decir la resistividad del terreno en función de la profundidad de la medida; lo cual indica que cada uno de los valores de resistividad se da específicamente a esas profundidades en el terreno.

6. Cálculos Resistividad del Terreno Se decidió entonces elegir la ruta 1 debido a la baja resistividad que esta registra en comparación con la ruta 2. Ahora habiéndose elegido la ruta 1, se proyectan 2 líneas perpendiculares en color rojo: una del valor de resistividad más bajo (ρ2), y la segunda del valor más alto (ρ1), para así determinar, un mínimo y un máximo de resistividad, como se ve en el grafico 2.

Como el telurómetro arroja los resultados de resistencia del terreno, y no los de resistividad de terreno, para poder hallarlo, se utilizó la siguiente formula: ρ=2 × π × R × Area Ec.(27) Entonces la tabla 6 muestra los valores de Resistividad del Terreno calculados utilizando la ecuación 1 (Ec. 27)

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.

Según lo anterior se tiene que por la curvas sunde: Grafico 2. Valores pico de resistividad de la Ruta 1

ρ2 ρa = =0,2 ρ1 ρ1

a =2 h

Luego se calculó ρa multiplicando el valor seleccionado ρa/ρ1 por ρ1:

ρa ∗ρ1 ρ1 ρa= ( 0,2 )∗1760 Ω−m ρa=352Ω−m ρa=

Habiendo determinado ρ1=1760 Ω-m y ρ2=215 Ω-m para la ruta 1. Se halló:

ρ2 ρ1

Ec.(29)

Esta resistividad de 352 Ω−m es la indispensable para realizar los cálculos de la malla a tierra.

Ec.(28)

Corrientes de Falla de La Subestación

ρ2 215 Ω−m = =0,12 ρ1 1760 Ω−m El valor obtenido en la ecuación 26 se busca (indicado con una línea azul) y luego se aproxima al valor más cercano de ρ2/ρ1 en la Gráfica de Sunde (indicado con una línea roja)para determinar

( )

ρa ρ1

De acuerdo al diseño de la subestación que se presenta en un diagrama unifilar (ver figura 9) para simplificar su entendimiento.

.Luego se

proyecta el valor correspondiente a/h sobre el eje X( indicado con una línea verde) .ver gráfico 3 Grafico 3. Curvas de sunde

0,2 0,12

Figura 9. Diseño de la subestación Se calcularon las impedancias de secuencia de la misma así: a) Cálculo de la impedancia equivalente de secuencia positiva del sistema (Z1) AT (barra de 115KV): 2

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Z 1=Z 2 Página 11

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.

Para

Z1 ¿ ¿ L1=¿

Z1 ¿ ¿ ¿ Para

Z1 ¿ ¿ L2=¿

Z1 ¿ ¿ ¿

Z0 ¿ ¿ ¿ 7,85+ j 33,69 (11,65 + j 40,9 )+¿ Z 0 L1∗Z 0 L 2 ( 11,65+ j 40,9 )∗(7,85+ j 33,69) Z 0 AT = = ¿ Z 0L 1 + Z 0L 2

Z 0 AT =4,7338+ j18,4847 Z 0 AT =

Z 0 %  AT 4,7338+ j 18,4847 ∗Z B= ∗132,25 Ω 100 100

Z 0 AT =6,2605+ j 24,4461 3,18+ j 8,25 ( 3,675+ j 11,35 ) +¿ c) Cálculo de la impedancia equivalente de secuencia Z 1 ∗Z 2 L2 (3,675+ j 11,35)∗( 3,18+ j 8,25) positiva del sistema (Z1) BT (barra de 13.2KV): Z 1 AT = L1 = ¿ Z 1 L1+ Z 2L 2 Z 1=Z 0=1,28+ j37,8 Z 1 AT =1,761+ j 4,7813 Z 1 BT =Z 1 AT + Z 1 T 3 Z 1 BT =( 1,761+ j 4,7813 )+ (1,28+ j37,8 ) √ V B /¿ Z 1 BT =2,9960+ j 42,5813 ¿ ¿2 √3 ¿ V B /¿ Z B=¿ ¿ ¿2 Z 1 AT 1,761+ j 4,7813 ¿ Z 1 AT = ∗Z B= ∗132,25 Ω Z B=¿ 100 100 Z 1 AT =2,2695+ j6,3233 b) Cálculo de la impedancia equivalente de secuencia cero del sistema (Z0) AT (barra de 115KV):

Para

Z0 ¿ ¿ L1=¿

Z0 ¿ ¿ ¿ Para

Z 1BT =

Z 1BT =0,0522+ j 0,7419 d) Cálculo de la impedancia equivalente de secuencia cero del sistema (Z0) BT (barra de 13.2KV):

(Z 0 ) BT =(Z 0 )T =1,28+ j 37,8 Z 0 BT =

Z0 ¿ ¿ L2=¿

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Z 1 %  BT 2,9960+ j 42,5813 * ZB= ∗1,7424 Ω 100 100

Z 0 % BT 1,28+ j 37,8 ∗Z B = ∗1,7424 Ω 100 100

Z 0 BT =0,0223+ j 0,6586

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. Usando la ecuación 10 Ec (10) se obtuvo: Cálculo de la corriente simétrica:

A MCM =I f ∗K F∗√ t C

a). barra de 115KV: Z1= Z2

A MCM =11.120 KA∗7.06∗√ 0.5

Utilizando la ecuación 4 Ec.(4) se tiene:

I F =3 I 0 =

= 55.513 MCM

Con base en este resultado el calibre del conductor es 0 N 3 pero de acuerdo a la norma el calibre mínimo que se debe usar el 2/0 AWG.

3∗115000/ √ 3 2∗( 2,2695+ j 6,3233 ) +(6,2605+ j24,4461)

I F =1441,2858− j 4950,2953 X 37,0928 = =3,4346 R 10,7996 I F =5156,3990 A

y

b). barra de 13.2KV: Z1= Z2 Utilizando la ecuación 4 Ec.(4) se tiene:

I F =3 I 0 =

Calculo de disminución de la capa superficial

3∗13200/ √ 3 Empleando la ( 2∗ 0,0522+ j 0,7419 ) +(0,0223+ j 0,6586)

I F =628,9099− j10634,0032 X 2,1425 = =16,9100 R 0.1267 I F =10652,5842 A

(

0,09∗ 1−

y

Cálculo de la corriente Asimétrica:

en la ecuación 9 Ec. (9) se tiene que:

C S=1−

ρ ρS

)

2 hs +0,09

352 2000 2∗0.5+ 0,09

(

0,09∗ 1− C S=1−

)

= 0.8098

Usando la ecuación 5,6 y 7: Ec. (5), Ec. (6) y Ec. (7) se tiene:

Calculo de la Tensión de Paso y Contacto

(Se tomó la mayor corriente simétrica)

Usando las ecuaciones 11, 12 se obtuvo:

I f =3 I 0∗D f =10652,5842 A∗1,0438 I f =11120,1473 A=11,1201 KA e

, Tf=0,5 seg

2,1425 ∗1 0,1267 T a= =0,0448 2∗π∗60 Hz

0,116 ts

(√ )

E p 50 kg= (1000+ 6∗Cs∗Ps )∗

−2∗0,5 s 0,0448

1−¿ ¿ 0,0448 1+ ∗¿ 0,5 s Df =√ ¿ Df =1,0438

-Tensión de paso Ec. (11)

( 0,116 √ 0.5 )

E p 50 kg= (1000+ 6∗0.8098∗2000 )∗ 1758.29 -Tensión de Toque Ec. (12)

=562.61 ( 0,116 √ 0.5 )

Et 50 kg =( 1000+1,5∗0.8098∗2000 )∗

Diseño de la Malla Calculo del conductor:

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=

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. El área designada para elaborar el SPT fue de 45m*45m la cual se observa en la figura 6 anterior. Pero por razones de diseño se decidió tomar únicamente el área de 40m*40m como se observa en la figura 10.

Rg =ρ

(

1 1 + ∗ 1+ LT √20∗A

Rg =352

(

(

1

√

1+ h

20 A

1 1 + ∗ 1+ 2.4 √20∗1600

(

) 1

√

1+0.5 ❑

20 1600

= 4,320 Calculo del factor de división de corriente De acuerdo al diseño de la subestación (ver figura 11) se observa que esta tiene dos líneas de transmisión (color rojo) y cuatro de distribución (color azul).

Figura 10. Dimensiones de la Malla

Rtg=100 Rtg=100 Calculo de la longitud efectiva enterrada Empleando la ecuación 23 Ec. (23) se obtuvo:

LC =N∗LX + M∗LY Donde:

N=n° de cnoductores en el eje x M =n ° de cnoductores en el eje y Rtg=200

LC =9∗40+ 9∗40=720

(

Figura 11. Diseño de la subestación

(√

LM =LC + 1,55+1,22∗

(

Lr 2

LX + L Y

2

))

∗L R

))

2.4 LM =720+ 1,55+1,22∗ ∗194.4 √ 402 + 402

(

=1031.38

Además en la figura 11 se observa que en el sistema Rtg = 100Ω para las líneas de transmisión (color rojo) y Rdg = 200Ω. Para las líneas de distribución (color azul). Partiendo de la figura 11 y sus datos se obtiene el valor de impedancia equivalente según la tabla 7. Tabla 7. Impedancias equivalentes aproximadas de cables de guarda de líneas de transmisión y neutros de distribución (alimentadores).

Calcula de la resistencia de la Malla de Puesta a Tierra Para efectos de este cálculo se utiliza la ecuación 14 Ec. (14) a partir de la cual se obtuvo:

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)

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. factores de corrección a los cálculos ya obtenidos para lograr el cumplimiento de las siguientes condiciones: a.) el voltaje de malla calculado sea menor que la tensión tolerable de toque: Em < Et50kg b.) que las tensiones calculadas de toque y de paso sean menores que las tensiones tolerables (Ep, Em): Ep < Ep50 Aplicación de los factores de corrección: Calculo de n° de conductores paralelos de una malla rectangular equivalente: Usando la ecuaciones 19 y 20, Ec.(19) y Ec.(20) se tiene: Ahora usando la ecuación 8. Ec.(8) y

segun el diseñodel sistema y su valor enla tabla7 Z eq=1,09+ j0,208 ¿

n=na∗nb∗nc∗nd n=9∗1∗1∗1 =9 na =

1,09+ j 0,208 S F =∣ ∣ 1,09+ j0,208+ 4,320 S F =0,2043

nc =(

L X∗LY ) A

2∗720 =9 160 m nc=nd=1 na =

Calculo de corriente máxima disipar por la malla:

2∗LC LP

√

LP 4∗√ A Dm nd = √ L X 2+ LY 2

nb =

0,7∗ A LX ∗L Y

nb =

√

160 m 4∗ √ 1600 m

2

=1

Usando la ecuación 2 Ec.(2) se tiene:

I G =I F∗Df ∗S f∗C p I G =5156,39∗1,0438∗0,2043∗1 I G =1100,049 A Calculo de elevación de potencial de tierra: Usando la ecuación 13 Ec. (13) se tiene:

Valor de espaciamiento geométrico de la Malla: Usando las ecuaciones 16,17 y 18. Ec. (16), Ec. (17) y Ec. (18) se tiene:

GPR=I G∗RG GPR=1100,049 A∗4,320 Ω GPR=4752,348 V Entonces este valor de elevación de potencial de tierra indica el valor del voltaje al que estará sometida la tierra o el terreno al momento de una falla; el cual debe ser menor al valor de la Tensión de toque o contacto admisible para una persona de 50 kg. De no cumplirse esta condición, no quiere decir que los cálculos y el diseño de la malla a tierra hasta esta instancia sean erróneos, si no que debido al incumplimiento de la anterior condición se hace necesario aplicar unos

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.

D+2∗h ¿ ¿ ¿2 2∗n−1 8 π∗(¿¿) (¿ ) K h (¿ ¿ 8∗D∗d− ¿)+ ii ∗ln ¿ 4∗d kh 2 D +¿ 16∗h∗d ¿ ln ¿ 1 Km= ∗¿ 2∗π 5 m+ 2∗0,5 m ¿ ¿ ¿2 2∗9−1 8 π∗(¿¿) ( ¿) 0.5 m 1 (¿¿ 8∗5 m∗0,01 m− ¿)+ ∗ln ¿ 4∗0.01 1.22 5 m2 +¿ 16∗0,5 m∗0,01 m ¿ ln¿ 1 K m= ∗¿ 2∗π

Calculo de la tensión máxima de malla Haciendo uso de la ecuación 21 y 15 Ec. (21) y Ec. (15) se obtiene:

k i=0,644+0,148∗n k i=0,644+0,148∗9=1.976 ρ∗I G∗K m∗K i   LM

Em =

352∗1100,049 A∗0.7028∗1.976   =521.40 1031.38

Con este valor, ya se ha llegado a la condición dada anteriormente para los factores de corrección la cual dice: Em < Et50kg El valor de la tensión de toque o contacto obtenida fue: Et=

562.61

Y el valor de la tensión de la malla fue: Em= =

0.7028

K ii =

Em =

1 2 /n (2∗n)

521.40

Por lo tanto se cumple que; Em < Et50kg También se cumple que: Ep < Ep50 Conexiones Exotérmicas

Paso 1 Antes de realizar la primera soldadura, es imprescindible precalentar el molde con una llama durante unos minutos. De esta forma, se eliminará cualquier humedad existente en el molde y se evitaran las soldaduras porosas.

Para mallas con varillas de tierra a lo largo del perímetro, o para mallas con varias varillas de tierra en las esquinas; así como para ambas Kii=1

√ √

k h = 1+

h , h =1 h0 0

k h = 1+

0.5 =1.22 1

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.

Figura 13. Calentamiento del molde 2

Figura 12. Calentamiento del molde

Figura 14. Calentamiento del molde 3

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.

Paso 3 Cerrar el alicate del molde y bloquearlo en dicha posición para evitar fugas de metal fundido durante el proceso de soldadura. Colocar el disco metálico adecuado con la parte cónica hacia abajo en el fondo de la tolva de forma que pueda obturar el orificio de colada. Para nuestro caso, en ausencia del alicate aseguramos el molde con alambre de cobre.

Figura 16. Sellando el molde 2

Figura 15. Sellando el molde

Figura 17. Sellando el molde 3

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.

Paso 4 Abrir el cartucho recomendado para el tipo de conexión a realizar y vaciar el contenido de polvo para soldadura en el crisol o cámara de reacción del molde.

Figura 19. Aplicando Pólvora

Figura 18. Aplicando Soldadura

Figura 20. Aplicando Pólvora Exterior

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.

Paso 5 Después de aplicar la llama esperar unos minutos antes de proceder a abrir el molde. Abrir completamente para poder extraer la soldadura. Durante esta operación tenga un especial cuidado en no dañar el molde de grafito.

Figura 22. Escoria

Figura 21. Preparando para Soldar

Figura 23. Conductores usados

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.

Figura 24. Producto Terminado

Figura 25. Retirando Escoria

Paso 6 Elimine la escoria de la tolva, del orificio de colada y la tapa del molde con el rascador de moldes. Limpiar los restos de suciedad de la cámara de soldadura con una brocha. Si el molde se mantiene todavía caliente, puede hacer una nueva soldadura sin precalentarlo.

Figura 26. Retirando escoria 2

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.

36.98 ∗1 10.67 Ta= 2 π∗60

Figura 27. Molde limpio Medidas de Resistencia de Puesta a Tierra Para efectos de este cálculo, se utilizó el Telurometro Fluke 1623, donde se procedió a ubicar cada uno de los electrodos a las distancias correspondientes a partir del punto del electrodo de puesta a tierra registrando así las siguientes medidas:

Figura 28. Medida obtenida con el Telurometro

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. Figura 30. Electrodo de Puesta a Tierra

CONCLUSIONES

Figura 29. Medida de resistencia a tierra

1.

Como resultado del siguiente informe podemos concluir la importancia que tienen las puestas a tierra de una subestación entre las que están salvaguardar la vida de las personas, equipos y también animales que se encuentren cerca.

2.

El diseño de puesta a tierra de una subestación requiere cálculos específicos ya que las cantidades de corriente que se disipan en un falla son muy altas.

3.

Mediante este informe podemos concluir que existen diferentes formas de tomar las mediciones de puesta a tierra para una subestación. Para la práctica realizada y plasmada en este informe se implementó el método de tres puntos.

4.

Después de haber analizado el paso a paso de cómo realizar un pegue en soldadura exotérmica podemos concluir que : si se sigue este procedimiento a cabalidad tendremos un excelente punto exotérmico. REFERENCIAS

(2013). En M. d. Energia, Reglamento Tecnico de Instalaciones Electricas RETIE (pág. 70). Bogota, D.C. (2013). Reglamento Tecnico de Instalaciones Electricas RETIE. En M. d. Energia. Bogota, D.C. (1999). En R. G. Marquez, Puesta a Tierra de Las Instalaciones Electricas (pág. 13). Barcelona: MARCOMBO S.A. (1999). En R. G. Márquez, Puesta a Tierra de Instalaciones Electricas (pág. 7). Barcelona: MARCOMBO S.A. (2010). En E. A. Plata, Sistemas de Puesta a Tierra:Diseñado con IEEE 80 y Evaluado con MEF (págs. 11-48). Manizales: Blanecolor Ltda.

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