Investigación sobre el diseño de mallas de tierra para subestaciones de potencia de media tensión en Cuba

Enviado por ens_cu

Dos objetivos principales deben lograrse en el diseño de las mallas de tierra de las subestaciones bajo condiciones normales y de fallas:

En Cuba durante muchos años ha sido utilizada la metodología de diseño de la antigua U.R.S.S, que se ha adaptado a nuestras condiciones. Dos de las normas que están establecidas en nuestro país y que tienen relación con el diseño y operación de las mallas de tierra son las siguientes:

1. Norma Ramal: NRIB 1148, 1991. Subestaciones Eléctricas. Instalaciones de puesta a tierra. Método de cálculo.
2. Norma Ramal: NRIB 570, 1983. Líneas aéreas y subestaciones eléctricas. Sistemas de aterramiento. Métodos de medición.

Al realizar una revisión de estas normas detectamos las siguientes limitantes:

1. No se establece ninguna metodología para el diseño de puestas a tierra en suelos con una marcada no uniformidad o suelos conformados por más de una capa (multicapas).
2. No se da una explicación detallada de cómo realizar las mediciones de resistencia y resistividad.
3. No se especifican normas de seguridad al realizar las mediciones.
4. No hace referencia al método Wenner como el ideal para los electricistas para realizar las mediciones de resistividad.
5. No se definen los tipos de instrumentos a utilizar (telurómetros) para realizar estas mediciones, ni los requisitos (frecuencia, potencia, función voltímetro que permita detectar corrientes parasitas del terreno, rangos de medición) que deben poseer los mismos para realizar una adecuada medición de los parámetros resistividad y resistencia.
6. Entre los métodos de medición de resistencia que aparecen en esta norma, no aparecen los dos métodos más utilizados internacionalmente.

• Método de la curva de caída de potencial.
• Método de la regla del 62%.

1. Solamente se establece como parámetro rector después de construida la malla el valor de la resistencia de puesta a tierra obtenido en la medición, no se tiene en cuenta otros parámetros importantes como son la medición de las tensiones de paso y contacto y la medición de equipotencialidad.
2. No hace mención del uso de suelos artificiales para el mejoramiento de la resistencia de puesta a tierra en los SPT o la utilización de concretos especiales.
3. No se especifican que requerimientos deben cumplir los conductores y bajantes de tierra al ser construida la malla.
4. No se establece la separación que debe existir entre los electrodos cuando se utilizan configuraciones de puestas a tierras de más de un electrodo, para evitar la aparición de potenciales peligrosos.
5. No se considera el comportamiento de las mallas de tierra en baja y alta frecuencia.
6. No se propone la utilización de puntos de conexión de tierra o barrajes equipotenciales, lo cual facilita el mantenimiento y medición de la malla.
7. Las ecuaciones que propone para el cálculo de la corriente que fluye a tierra, a través del circuito de tierra durante la falla a tierra, requiere del cálculo de muchos parámetros (conductancias).
8. El método propuesto para la selección del conductor de la malla es muy engorroso.
9. Los valores de tensión de paso y contacto establecidos como tolerables en dependencia del tiempo de duración de la falla están desactualizados.
10. Las expresiones propuestas para el cálculo de las tensiones de paso y contacto recaen en una serie de constantes empíricas.
11. La expresión propuesta para el cálculo de la resistencia de tierra de la malla es bastante complicada.

En la mayoría de nuestras empresas eléctricas se han realizado diseños de mallas de tierra, violando varios aspectos importantes:

1. No se tiene en cuenta el análisis geológico del terreno como un aspecto importante para decidir la ubicación de la subestación y por consiguiente su malla de tierra.
2. Se han realizado diseños de mallas de tierra sin haber medido la resistividad del terreno.
3. Solamente establecen como parámetro rector de una malla de tierra el valor de su resistencia a tierra, no se tiene en cuenta las tensiones de paso y contacto que pueden aparecer en la malla cuando circula una corriente de falla a tierra, por lo que no se realizan mediciones de estos parámetros.
4. En ocasiones se realizan diseños ineficientes con espaciamientos entre conductores no adecuados, sin tener en cuenta los peligrosos potenciales de paso y contacto que puede ocasionar esto.
5. Se realizan diseños de mallas sin tener en cuenta la corriente de cortocircuito

a tierra que se presenta en la subestación.

1. DESARROLLO

Para dar solución a todos estos problemas detectados en estas normativas, el autor realiza una revisión de un grupo de bibliografías internacionales actuales y confecciona una guía para el diseño de puestas a tierra en subestaciones de potencia:

1. Para el dimensionado de la malla de tierra de la subestación se tendrán en cuenta las

siguientes prescripciones:

• El dimensionado de la instalación de tierra es función de la intensidad que, en caso de fallo, circula a través de la parte afectada de la instalación de tierra y del tiempo de duración del defecto.
• El dimensionado de las instalaciones se hará de forma que no se produzcan calentamientos que puedan deteriorar sus características o aflojar elementos desmontables.
• Los electrodos y demás elementos metálicos llevarán las protecciones precisas para evitar corrosiones peligrosas durante la vida de la instalación.
• Se tendrán en cuenta las variaciones posibles de las características del suelo en épocas secas y después de haber sufrido corrientes de fallo elevadas.

1. Al proyectar una instalación de puesta a tierra para una subestación, se seguirá el siguiente procedimiento:

La medición de la resistividad del terreno es la razón más importante para los electricistas al diseñar sistemas de puesta a tierra. La resistividad es un factor determinante en el valor de resistencia a tierra que pueda tener un electrodo enterrado, puede determinar a que profundidad debe ser enterrado el mismo para obtener un valor de resistencia bajo. La resistividad puede variar ampliamente en terrenos que tengan las mismas características, su valor cambia con las estaciones. La misma es determinada grandemente por el contenido de electrolitos, el cual consiste de humedad, minerales y sales disueltas. Un suelo seco tiene un alto valor de resistividad si no contiene sales solubles. La resistividad es también influenciada por la temperatura.

El método más utilizado por los electricistas para realizar las mediciones es el de Wenner:

Para la medición se disponen 4 electrodos en línea recta y equidistantes una distancia "a", simétricamente respecto al punto en el que se desea medir la resistividad del suelo, como se muestra posteriormente, el equipo de medida es un telurómetro de cuatro terminales, los electrodos externos son los de inyección de la corriente y los centrales los encargados de medir la caída de potencial (en función de la resistencia).

El valor obtenido con la medición es sustituido en la expresión (1), obteniéndose un valor promedio de resistividad aparente a una profundidad equivalente a la distancia "a" entre los electrodos:

En relación a este método, deben tenerse presente los siguientes aspectos:

La profundidad de sondeo es la comprendida entre la superficie del terreno y la profundidad a la cual la corriente se ha reducido a la mitad de su valor en la superficie, siendo esta profundidad de exploración aproximadamente de 0.75 "".

Elección de la profundidad de investigación: Cuanta mayor extensión vaya a ocupar el electrodo de tierra, mayor será la profundidad de exploración del suelo de cuyas características depende el SPT.

Por otro lado, los potenciales en la superficie dependen principalmente de la resistividad de la capa superficial de terreno que se escoja, mientras que la resistencia de puesta a tierra no depende de ella.

Wenner, con un telurómetro clásico de cuatro terminales.

Criterios prácticos a tener en cuenta al medir la resistividad del terreno:

1. La profundidad de los electrodos no debe sobrepasar 30 cm.
2. Es conveniente que se realicen mediciones en diferentes direcciones para un mismo sondeo, por ejemplo de Norte a Sur y de Este a Oeste, debido a las características de anisotropía de los suelos.
3. Al elegir la profundidad de exploración no se recomiendan profundidades mayores a los 8 metros puesto que es muy difícil poder llegar con las tomas de tierra hasta esos niveles, esto implica separaciones interelectródicas hasta 11 metros.
4. No es conveniente que las mediciones se realicen donde existan tomas de tierra o tuberías, puesto que las mismas provocan que la corriente que se inyecta en el terreno tome otra trayectoria no deseada perturbando así el resultado.
5. Si se quiere conocer la resistividad existente en una puesta a tierra, es obligatorio realizar la medición en una zona cercana a la misma, con características similares y con la misma conformación geológica, a una separación igual o mayor a tres veces la separación de los electrodos.
6. Al realizar las mediciones en las diferentes direcciones (Norte-Sur)(Este-Oeste), los valores de resistencia obtenidos para cada separación entre electrodos pueden ser promediados, no pueden ser promediados valores obtenidos con diferentes

. Con estos valores obtenidos se traza la curva de resistividad, por la cual se selecciona, a que profundidad deben ser enterrados los electrodos.

4. Cuando por los valores de la resistividad del terreno, de la corriente de puesta a tierra o del tiempo del eliminación de la falla, no sea posible técnicamente, o resulte económicamente no factible mantener los valores de las tensiones de paso y contacto dentro de los límites admisibles, deberá recurrirse al empleo de medidas adicionales de seguridad a fin de reducir los riesgos a las personas y los bienes.

1. Hacer inaccesibles las zonas peligrosas.
2. Disponer de suelos o pavimentos de elevada resistividad que aíslen suficientemente de tierra las zonas de servicio peligrosas.
3. Aislar todas las empuñaduras o mandos que hayan de ser tocados.
4. Establecer conexiones equipotenciales entre la zona donde se realice el servicio y todos los elementos conductores accesibles desde la misma.
5. Aislar los conductores de tierra a su entrada en el terreno.

1. Las canalizaciones metálicas.
2. Los blindajes de cables.
3. Los elementos metálicos de las fundaciones, exceptuando las armaduras pretensadas del hormigón.

4. Los conductores o bajantes empleados en las puestas a tierra cumplirán las siguientes

prescripciones:

1. Tendrán una resistencia mecánica adecuada y ofrecerán una elevada resistencia a la corrosión.
2. Su sección será tal, que la máxima corriente que circule por ellos en caso de defecto o de descarga atmosférica no lleve a estos conductores a una temperatura cercana a la de fusión, ni ponga en peligro sus empalmes y conexiones.
3. Podrán usarse como conductores de tierra las estructuras de acero de apoyo de

1. Los empalmes y uniones deberán realizarse con medios de unión apropiados (grampas Ampact, soldadura exotérmica, etc.), que aseguren la permanencia de la unión y que no se experimenten calentamientos al paso de la corriente superiores a los del conductor, y estén protegidos contra la corrosión galvánica.

9. Cuando la humedad del terreno varíe considerablemente de unas épocas del año a otras se tendrá en cuenta esta circunstancia al dimensionar y establecer el sistema de tierra. Se utilizarán recubrimientos con gravilla en la subestación entre otras cosas como ayuda para conservar la humedad del suelo.

1. Los chasis y bastidores de aparatos de maniobra.
2. Los envolventes de los conjuntos de armarios metálicos.
3. Las puertas metálicas de los locales.
4. Las vallas y cercas metálicas.
5. Las columnas, soportes, etc.
6. Las estructuras y armaduras metálicas de los edificios que contengan instalaciones de alta tensión.
7. Los blindajes metálicos de los cables.
8. Las tuberías y conductos metálicos.
9. Las carcasas de los transformadores.
10. Los hilos de guarda o cables de tierra de las líneas aéreas.
11. Los neutros de los transformadores.
12. Los circuitos de baja tensión de los transformadores de medida.
13. Los limitadores, descargadores, pararrayos, para eliminación de sobretensiones o descargas atmosféricas.
14. Los elementos de derivación a tierra de los seccionadores de puesta a tierra.

Serán interconectadas todas las puestas a tierra de la subestación (puestas a tierra de

servicio y protección), garantizando la equipotencialidad de la misma.

1. Si la cerca esta construida de hormigón, se conectará la puerta de la subestación con la malla por dos lugares garantizando la equipotencialidad del lugar, esta conexión se realizará utilizando conductores de cobre o acero-cobre.
2. Si la cerca es metálica conjuntamente con la puerta se conectará también a la malla de la subestación por varios lugares.

• Para efectuar esto se utilizara un voltímetro de resistencia interna de 1000 Ω.
• Los electrodos de medida para simulación de los pies deberán tener una superficie de 200 cm² cada uno y deberán ejercer sobre el suelo una fuerza mínima de 250 N cada uno, la fuerza de 250 Newton a que se alude puede obtenerse mediante pesos . Ver Figura 2.
• Se emplearán fuentes de alimentación de potencia adecuada para simular la falla, de forma que la intensidad empleada en el ensayo sea como mínimo el 1% de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación sin que sea inferior a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de transformación, con lo que se eliminan los defectos de las posibles tensiones vagabundas o parásitas circulantes por el terreno.
• Consecuentemente, y a menos que se emplee un método de ensayo que elimine el efecto de dichas corrientes parásitas, por ejemplo, método de inversión de la polaridad, se procurará que la intensidad inyectada sea del orden del 1 por 100 de la corriente para la cual ha sido dimensionada la instalación y en cualquier caso no inferior a 50 A para subestaciones y 5 A para centros de transformación.
• Medidos los valores de tensión de paso (Vc) y contacto (Vp) a la corriente de ensayo (I_E) se procede a calcular por extrapolación los valores de Vc y Vp a corriente de puesta a tierra I_T.(corriente de falla a tierra para el cual ha sido diseñada la instalación).

paso = contacto=

Cuando se utilice el método de inversión de polaridad se tendrá en cuenta

que:

Para la tensión de paso medida:

p.medida =

Para la tensión de contacto medida:

c.medida =

Siendo y las tensiones de paso y contacto respectivamente

1. Disminución total de la resistencia de tierra: Una total disminución de la resistencia de tierra disminuirá el máximo GPR (máxima elevación de potencial en la red de una subestación con respecto a un punto distante que se asume que está al potencial de tierra remoto) y por tanto la máxima tensión transferida. La vía más efectiva para disminuir la resistencia de una malla de tierra es por un incremento del área ocupada por la malla. Pozos o varillas enterradas profundamente pueden ser usados si el área disponible es limitada y las varillas penetran capas de baja resistividad. Una disminución en la resistencia de la subestación puede o no disminuir apreciablemente los gradientes locales, dependiendo del método usado.
2. Espaciamiento cercano de la malla: Con el empleo de espaciamientos de los conductores cercanos, la condición del plato continuo puede ser aprovechado más estrechamente. Potenciales peligrosos dentro de la subestación pueden por tanto ser eliminados a un costo. El problema en el perímetro puede ser más difícil, especialmente en pequeñas subestaciones donde la resistividad es alta. Sin embargo, es usualmente posible enterrar los conductores de tierra por fuera de la línea de la cerca para asegurar que los gradientes escarpados que surgen inmediatamente fuera del perímetro de la malla no contribuyan a mayores tensiones peligrosas de contacto.

Otra manera efectiva y económica de controlar los gradientes es incrementar la densidad de varillas de tierra en el perímetro. Esta densidad puede ser decrementada hacia el centro de la malla.

Otro método para controlar los gradientes perimetrales y los potenciales de paso es enterrando dos o más conductores en paralelo alrededor del perímetro a profundidades sucesivamente mayores según la distancia de separación de la subestación. Otra metodología es variar el espaciamiento de los conductores colocando un espaciamiento menor de los conductores cercanos al perímetro de la malla.

3. Desviar una gran parte de la falla de corriente hacia otros caminos, conectando conductores de guarda en líneas de transmisión o disminuyendo el valor de resistencia de la base de la torre en las proximidades de la subestación, parte de la corriente de la falla se desviará a partir de la malla. Sin embargo, en relación con lo último, debe ser valorado el efecto de los potenciales de falla cercanos a las bases de las torres.
4. Limitando la corriente de falla total: Si es factible, limitando la corriente total de la falla disminuirá el GPR y todos los gradientes en proporción. Sin embargo, otros factores harán normalmente esto impráctico. Además si es realizado a cuenta de un mayor tiempo de limpieza de la falla, el daño puede ser incrementado en lugar de disminuir.
5. Limitando el acceso a áreas limitadas: Limitando el acceso a ciertas áreas se reducirá la probabilidad de daños al personal.

Constantes:

ρ : Resistividad aparente del terreno, Ω.m

I : Corriente de falla monofásica en el secundario, kA

Io : Corriente de falla monofásica a tierra en el primario, A

tc : Tiempo de despeje de la falla, s

Variables:

h_s : Grosor de la capa superficial, m

L1 : Largo de la malla, m

L2 : Ancho de la malla, m

h : Profundidad de enterramiento de la malla, m

Lc : Longitud total del conductor horizontal, m

Lv : Longitud de un electrodo tipo varilla, m

D : Espaciamiento entre conductores, m

N : Número de electrodos tipo varilla

U_{paso tolerable} : Tensión de paso tolerable, V

U_{contacto tolerable} : Tensión de contacto tolerable, V

U_reticula : Tensión de la retícula en caso de falla, V

U_paso : Tensión de paso en caso de falla, V

A : Sección transversal del conductor, mm²

C_s : Coeficiente en función del terreno y la capa superficial

L_T : Longitud total del conductor, m

A : Área disponible para construir la puesta a tierra, m²

K_m : Factor de espaciamiento para tensión de malla

K_ii : Factor de corrección por ubicación de electrodos tipo varilla

L_p : Longitud del perímetro

K_h : Factor de corrección por la profundidad de enterramiento de la malla

n : Factor de geometría

K_i : Factor de corrección por geometría de la malla

K_s : Factor de espaciamiento para la tensión de paso

A_mm² = mm² (2)

Para una persona de 70 kg:

U_{paso tolerable}= (V) (3)

U_{contacto tolerable}= (V) (4)

Donde:

C_s=1- (5)

Longitud del conductor L_T = L_c+N * L_v (m) (6)

Donde L_c=( (m) para mallas cuadradas o rectangulares

Cálculo del área: A=L₁*L₂ (m²)

GPR = I_G * R_g (V) donde I_G=1,9 I_o (A) (8)

Si GPR > U_{contacto tolerable} se calculan las tensiones de malla y de paso en caso de falla; si GPR < U_{contacto tolerable} , entonces el diseño ha concluido.

U_reticula= (V) (9)

Donde: K_m= (10)

K_ii = 1 para mallas con electrodos de varilla a lo largo del perímetro, en las esquinas o dentro de la malla.

Kii = para mallas sin electrodos tipo varilla o con pocas varillas dentro de la malla.

K_h= y K_i = 0.644 + 0.148 * n

n = n_a*n_b*n_c donde: n_a= n_b = n_c=

L_p= (L1+L2)*2 (m) para mallas cuadradas o rectangulares.

U_reticula > U_contacto, se debe cambiar la configuración de la malla; si U_reticula < U_contacto se pasa a calcular la tensión de paso.

U_paso= (V) (11)

K_s= (12)

Si U_paso> U_{paso tolerable} cambiar la configuración de la malla; si U_paso < U_{paso tolerable} el diseño ha terminado.

• El criterio fundamental para decidir el montaje de electrodos profundos, es que las capas inferiores sean de mucha menor resistividad, esto es verificado al realizar el sondeo de resistividad a varias profundidades.
• Deben ser ubicados en la periferia de la malla, pero como parte de ella, no separados.
• La profundidad a la cual se enterrará el electrodo profundo estará determinada por el sondeo de resistividad realizado, el que determinará a que profundidad se encuentra la menor resistividad, y a esta será la profundidad donde se montará el electrodo profundo.
• Que el montaje del pozo profundo llegue a profundidades donde se encuentre el manto freático (saturación de humedad) no garantiza que exista una baja resistividad.
• El hoyo que se abra para el montaje del electrodo profundo será rellanado con el mismo suelo que se extrae o con un suelo artificial de baja resistividad.
• Se garantizará que el suelo que se utiliza como relleno debe ser debidamente compactado alrededor del electrodo.

1. Gerencia Técnica, Transener S.A. Guía de diseño y normas para puesta a tierra de

estaciones transformadoras. Argentina.

2. Casas Ospina, Favio. Tierras. Soporte de la Seguridad Eléctrica. Segunda Edición. Bogotá. D.C., Junio del 2003.
3. IEEE Std 80-2000 (Revision of IEEE Std 80-1986). IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. Approved 30 January 2000.
4. Noriega Stefanova, Ernesto. Metodología para el diseño de sistemas de puesta a tierra en líneas y subestaciones para tensiones intermedias. Tesis presentada en opción al grado científico de Master en Ingeniería Eléctrica.
5. UNESA, Unidad Eléctrica, S.A. Comité de distribución comisión de reglamentos. Método de cálculo y proyecto de instalaciones de puesta a tierra para centros de transformación conectados a redes de tercera categoría. 1989.
6. Norma Española ITC MIE-RAT 13. Instalaciones de puesta a tierra.
7. Granero, Andrés. Centro de Formación Schneider. Medidas y vigilancia de las instalaciones de puesta a tierra. Mayo 2001.

Nació el 7 de Julio de 1973, obtuvo los títulos de Ingeniero Electricista en 1998 y Master en Ingeniería Eléctrica en el año 2004 en la Universidad Central de las Villas. Desde 1998 hasta la fecha se desempeña como Investigador Principal del Grupo de Ingeniería de Distribución de la Empresa Eléctrica Matanzas. Su experiencia profesional se centra en la actividad de investigación, operación de los sistemas de distribución y docencia. Ha realizado diversas investigaciones en su empresa vinculada a las temáticas de puestas a tierra, protección contra rayos de las redes de distribución, coordinación de aislamiento y calidad de energía.

Contreras # 70, CP 40100. Matanzas. CUBA.