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MODELADO DE SISTEMAS ELÉCTRICO DE POTENCIA USANDO EL SOFTWARE ETAP TALLER 5 – SISTEMA DE PUESTA A TIERRA INGENIERIA ELECTRICA Universidad Autónoma de Occidente Luis Fernando Cano M. 2120451 E-mails: [email protected]

RESUMEN El presente Taller busca Afianzar Los conocimientos adquiridos en clase (teórico y práctico), para realizar el respectivo Diseño de un sistema de puesta a tierra de un ejercicio escogido de un Sistema Eléctrico de Potencia, mediante los conocimientos adquiridos en clase. Para lo cual nos apoyaremos en la herramienta de simulación ETAP, la cual nos permitirá conocer las diferentes formas de poder hacer un Diseño y/o análisis de sistema de puesta a Tierra. Palabras clave: Sistema de puesta a tierra, ETAP, Sistema de Potencia.

INTRODUCCIÓN Mediante el siguiente Diagrama unifilar (Escogido) de un sistema de potencia Figura 1., se hará un diseño de un SPT (Sistema de Puesta a Tierra)

Figura 1.

De la Figura 1. Se Diseñara dos SPT (sistema de puesta a tierra), por medio de los dos métodos, vistos en clase, esto para dos partes diferentes de nuestro sistema de Potencia, para lo cual se realizara un análisis de Flujo de carga, con el fin de generar inmediatamente un análisis de corto circuito, para ser utilizado en el cálculo y Diseño de nuestros SPT.

DESARROLLO TALLER 5 ETAP: DISEÑO DE PUESTA A TIERRA.

Una vez tenemos seleccionada la subestación, se realiza un flujo de carga, para inmediatamente generar un análisis de corto Circuito y determinar los lugares donde debemos y tenemos que tener nuestros SPT (Solo se toman dos lugares, para explicar los métodos)

Figura 2.

En la Figura 2. Observamos el flujo de carga de nuestro sistema de potencia, con el cual procederemos a correr el Corto Circuito, para con esto determinar donde diseñaremos el SPT.

Figura 3.

Figura 3. Análisis de Corto circuito en ETAP, Donde se observa los lugares de los equipos, donde habrá mayor corriente de corto a tierra. Por lo cual se seleccionan solo dos lugares donde se hará un diseño de SISTEMA DE PUESTA A TIERRA (SPT) Figura 4.

1

2

Figura 4.

En Figura 4. Hacemos la selección de los lugares donde se diseñara nuestros diseños de SPT. El SPT 1, se desarrollara por la IEEE 80 y el SPT 2, se hará por el método finito. La razón el para el SPT 1, podemos trabajar con un área Regular, mientras que para el SPT 2, supondremos que el área que hemos tomado por sus equipos es irregular. SPT 1. Por método de IEEE 80 (2000), lo primero es determinar la resistividad del terreno, la cual una vez medida nos da los siguientes resultados, Figura 4ª.

Figura 4ª.

Una vez, conocidos lo valores de resistividad en el terreno, tanto en una capa de arriba, como de abajo del terreno (Tierra, Después de varias muestras, en diferentes épocas), procedemos a definir el material que ira en la parte de la superficie, el cual a diferencia del terreno, buscaremos que tenga la mayor resistencia posible, por lo que nuestra elección queda de la siguiente forma. Figura 5.

Figura 5.

Una vez, definido como quedara nuestro terreno, definimos la forma que más se ajusta a nuestra Diseño de SPT e ingresamos las medidas de nuestro diseño, en este caso; largo y ancho, al igual que escogemos las dimensiones de nuestras varillas (Electrodos), conductores y calibres de estos, como se puede apreciar en la Figura 6.

Figura 6.

En la Figura 6, para el cálculo de número de varillas y conductores, nos hemos apoyado con la herramienta de ETAP, OPTIMIZED CONDUCTORS AND RODS, la cual una vez seleccionada, nos ayuda encontrar un número adecuado de estos elementos, una vez hemos seleccionado el caso de estudio y sus respectivas características, Figura 7.

Figura 7.

Una vez Seleccionado los parámetros correctos del caso de estudio (Figura 7), procedemos con el cálculo de nuestro SPT, para VOLTAJE DE PASO Y VOLTAJE DE TOQUE, el cual nos da los siguientes resultados Figura 8. (Sin Alarmas o errores).

Figura 8.

De estos resultados, del SPT 1, se saca un informe que queda al final del presente trabajo, como un anexo.

Para nuestro Diseño de SPT 2, Figura 9. Se utilizara el METODO DE ELEMENTOS FINITOS, ya que nuestro diseño, no tiene una forma regular.

Figura 9.

Para el SPT 2, Una vez obtenida la (resistividad) del terreno, la ingresamos en ETAP, para diseñar nuestra MALLA, de acuerdo a la forma definida. Figura 10.

Figura 10.

Una vez, la Figura 10, Procedemos a realizar nuestro diseño de SPT 2 (seleccionando las varillas y conductores que llevara) Figura 11.

Figura 11.

En la Figura 11. Esta descrita la forma geométrica como quedara nuestra SPT 2. En la Figura 12. Definimos nuestras variables de estudio y tomamos del cálculo de corto circuito, el valor correspondiente a donde estará nuestro diseño de SPT 2

Figura 12.

Una vez realizado este punto, y definidas las medidas de nuestros conductores y varillas Figura 13, Procedemos con el Cálculo Final de SPT.

Figura 13.

Una vez realizado y ajustado todos los respectivos valores de conductores y varillas, procedemos hacer nuestro cálculo de nuestro SPT 2, Figura 14.

Figura 14.

De lo cual observamos que cumplen, con todos los respectivos valores de Tensión de paso y contacto. También respecto al diseño de SPT 2, podemos observar, mediante gráficas (Ayudas de ETAP), como será el comportamiento de la Tensión de paso y Contacto en nuestro diseño Figura 15.

Figura 15.

En estos gráficos de la Figura 15, podemos apreciar los perfiles de Tensión de Paso y Contacto, los cuales en ciertos puntos son más altos y nos servirán a la hora de determinar procedimientos de seguridad en nuestra subestación.

CONCLUSIONES



Con el sistema de Potencia escogido o dado, es muy importante, determinar el Método adecuado (IEEE 80 o Elementos Finitos) para Validar y Diseñar nuestro SPT, ya que este nos ayudara, a obtener los cálculos óptimos y necesarios para proporcionar los medios necesarios para disipar corrientes eléctricas a tierra sin exceder los límites de operación de la red y de los equipos poder ofrecer la seguridad necesaria.



Un elemento fundamental, a la hora de nuestro Diseño de SPT, son los valores de Cálculo de Corto Circuito y los datos de Resistividad del terreno, ya que de estos valores se iniciara todo el Cálculo necesario para el Despeje de las fallas, por lo cual, la consecución de estos datos debe darse de una manera adecuada, con varias mediciones, datos con algún grado de correlación y/o certificados.



Una vez más, se comprueba la gran aplicabilidad y facilidad que tiene ETAP, en los diferentes Estudios y análisis de los sistemas de potencia, específicamente en el Diseño de SPT (Sistemas de Puesta a Tierra). RECOMENDACIONES



Sobre el trabajo desarrollado; Asegurarse al término de la construcción de nuestro SPT, mediante pruebas, que los valores obtenidos son iguales o mejores a los calculados o simulados.



Sobre el tema desarrollado: Poder realizar un ejercicio práctico de revisión de un SPT, ya que dentro de la carrera, se menciona mucho SPT y aunque sabemos importantes y fundamentales en nuestros sistemas de potencia, es muy poco lo que se ve.

REFERENCIAS

[1] https://etap.com [2] https://es.slideshare.net/Himmelstern/ [3] Notas tomadas en clase

ANEXOS DE MEMORIAS DE CALCULO

Project: Location:

ETAP

Diseño Malla a tierra

12.6.0H

Colombi

1

Date:

11-08-2017

SN:

Contract: Engineer:

Page:

Luis Fernando Cano

Study Case: GRD1

Electrical Transient Analyzer Program

Ground Grid Systems

IEEE Std 80-2000

Number of Ground Conductors:

9

Number of Ground Rods:

4

Total Length of Ground Conductors:

300.00 m

Total Length of Ground Rods:

10.00 m

Total Computational Time:

0 minutes

Frequency:

60,0

Unit System:

Metric

Project Filename:

mallaatierra3

Output Filename:

D:\U 2017\Semestre 2\Etap\Clase MallaTierra\Grid1_Caso1.GR1

Filename:

mallaatierra3

Revision:

Base

Project:

ETAP

Diseño Malla a tierra

Location:

12.6.0H

Colombi

Page:

2

Date:

11-08-2017

SN:

Contract: Engineer:

Luis Fernando Cano

Study Case: GRD1

Filename:

mallaatierra3

Revision:

Base

Ground Grid Input Data System Data: Short-Circuit Current

Freq. Hz

Ambient Temp. °C

Weight kg

60,0

50

Total Fault Current kA

40.00

X/R

2.000

Fault Duration (Seconds)

Sf

Cp

Tf

Tc

Ts

Division

Projection

for

Factor %

Factor %

Total Fault Duration

for Sizing Ground Conductors

for Available Body Current

100.0

100.0

0.50

0.50

1.00

0.50

Soil Data: Surface Material

Upper Layer Soil

Material Type

Resistivity Ohm.m

Gravel

8534.4

Depth m

Material Type

0.500

Lower Layer Soil

Resistivity Ohm.m

Moist soil

100.0

Depth m

MaterialType

5.00

Moist soil

Material Constants: r Factor Conductor/Rod

Type

Conductor & Rod

Copper, annealed soft-drawn

Conductivity

@ 20 °C

%

1/°C

100.0

K0 @ 0 °C

0.00393

234.0

Fusing Temperatur e °C 1083.0

Resistivity of Ground Conducto @ 20°C micro ohm.cm 1.72

Rod Data: Diameter

Length

cm

m

1.590

2.40

No. of Rods 4

Cost $/Rod

Arrangement Rods Throughout Grid Area

100.00

Grid Configuration:

Conductor Size mm²

Depth m

70

0.50

Grid Length m

Number of Conductors

Lx

Ly

in X Direction

50.00

25.00

in Y Direction

3

6

Separation m in X Direction

in Y Direction

10.0

12.5

Cost: Conductor Total No. 9

Total Length m 300.00

Rod Cost $ 3000.00

Total No. 4

Total Length m 9.60

Cost $ 400.00

Total Cost $ 3400.00

Cost $/m 10.00

Shape: Rectangular

Resistivity Ohm.m 100.0

Thermal Capacity Per Unit Volume J/(cm³.°C) 3.42

Project: Location:

ETAP

Diseño Malla a tierra

12.6.0H

Colombi

3

Date:

11-08-2017

SN:

Contract: Engineer:

Page:

Luis Fernando Cano

Study Case: GRD1

Filename:

mallaatierra3

Revision:

Base

Ground Grid Summary Report Rg Ground Resistance ohm

GPR Ground Potential Rise Volts

1.550

Touch Potential Tolerable Volts

3108.8

Calculated Volts

2092.8

Step Potential Calculated %

845.4

40.4

Tolerable Volts 7878.9

Calculated Volts

Calculated %

395.9

5.0

Total Fault Current:

2.000 kA

Reflection Factor (K):

-0.977

Maximum Grid Current:

2.005 kA

Surface Layer Derating Factor (Cs):

0.918

Decrement Factor (Df):

1.003

Report of Intermediate Constants for IEEE 80 Methods - Correction factor for grid geometry regarding touch voltage (Kim):

- Correction factor for grid geometry regarding step voltage (Kis): - Spacing factor for touch voltage (Km): - Spacing factor for step voltage (Ks):

1.254 1.254

1.061 0.367

- Corrective weighting factor that adjusts for the effects of inner conductors on the corner mesh (Kii): - Constants 1 related to the geometry of system (K1):

1.329

- Constants 2 related to the geometry of system (K2):

5.667

1.000