CAPÍTULO 4: Caso de Estudio: Calidad de energía y Sistemas de

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Elaboración de una guía práctica para la
evaluación de la calidad de energía dentro de
C.N.F.L. (Primera parte: Sistemas de
aterrizamiento en Edificios)
Por:
Irene Víquez Barrantes
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio del 2007
Elaboración de una guía práctica para la
evaluación de la calidad de energía dentro de
C.N.F.L. (Primera parte: Sistemas de
aterrizamiento en Edificios)
Por:
Irene Víquez Barrantes
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Max Ruiz Arrieta
Profesor Guía
_________________________________
Ing. José Alberto Salazar Ramírez
Profesor lector
_________________________________
Ing. Alfonso Herrera Herrera
Lector
ii
DEDICATORIA
A mi familia por estar siempre a mi lado.
A mis amigos y compañeros por su apoyo, compañía y ayuda a través de estos años.
iii
RECONOCIMIENTOS
Agradezco al profesor guía Max Ruiz, por su constante apoyo y disponibilidad durante
la realización de este proyecto, a los lectores José Alberto Salazar y Alfonso Herrera por
brindar información de suma importancia y estar anuentes a consultas.
Agradezco también a los miembros del Departamento de Conservación de la Energía y
Eficiencia Energética del plantel Anonos de C.N.F.L, Leonardo Montealegre y Gonzalo
Mora que ayudaron durante el estudio de campo realizado en el plantel; así como al
personal del Departamento Administrativo de Redes Eléctricas por permitir realizar las
inspecciones en este edificio.
Además agradezco a mi familia y amigos por el apoyo brindado.
iv
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE FIGURAS...............................................................................vii
ÍNDICE DE TABLAS ...............................................................................viii
NOMENCLATURA ....................................................................................ix
RESUMEN. ………………………………………………………………..x
CAPÍTULO 1: Introducción ......................................................................... 1
1.1
1.2
Justificación............................................................................................................. 1
Objetivos.................................................................................................................. 5
1.2.1 Objetivo general .......................................................................................... 5
1.2.2 Objetivos específicos................................................................................... 5
1.3 Metodología............................................................................................................. 6
CAPÍTULO 2: Calidad de energía en redes eléctricas ................................. 8
2.1
2.2
2.3
Importancia de la calidad de energía ....................................................................... 8
Factores que afectan la calidad de energía en sistemas de potencia........................ 9
Eventos electromagnéticos que producen problemas de calidad de energía ......... 10
2.3.1 Transitorios................................................................................................ 11
2.3.2 Variaciones de tensión de larga duración .................................................. 13
2.3.3 Variaciones de tensión de corta duración .................................................. 13
2.3.4 Fluctuaciones en la tensión........................................................................ 16
CAPÍTULO 3: Sistemas de Aterrizamiento................................................ 18
3.1
3.2
Importancia de los sistemas de puesta a tierra....................................................... 19
Problemas típicos relacionados con los sistemas de puesta a tierra ...................... 20
3.2.1 Problemas con conductores y conectores .................................................. 20
3.2.2 Ausencia de puesta a tierra de protección ................................................. 21
3.2.3 Múltiples conexiones de tierra a neutro..................................................... 21
3.2.4 Varillas adicionales a tierra ....................................................................... 21
3.2.5 Lazos de tierra ........................................................................................... 22
3.2.6 Dimensionamiento del neutro.................................................................... 22
3.3 Soluciones a problemas en sistemas de puesta a tierra.......................................... 23
3.3.1 Resistencia del electrodo a tierra............................................................... 23
3.3.2 Conexiones adecuadas en la acometida del sistema.................................. 23
3.3.3 Conexiones correctas en el tablero principal............................................. 24
3.3.4 Instalación de una tierra aislada................................................................. 24
3.3.5 Derivaciones aisladas del sistema de potencia .......................................... 24
3.3.6 Referencia de señales................................................................................. 25
3.3.7 Otras recomendaciones.............................................................................. 26
3.4 Técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra ................................................. 26
3.4.1 Resistividad del suelo ................................................................................ 26
3.4.2
Método de Wenner .................................................................................. 27
3.4.3 Medición de la resistencia de aterrizamiento ............................................ 31
3.4.4 Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento en sistemas de dos
capas
……………………………………………………………………………............32
3.4.5 Valores máximos permisibles en el diseño de sistemas de aterrizamiento 34
v
CAPÍTULO 4: Caso de Estudio: Calidad de energía y Sistemas de Puesta a
Tierra en el Plantel Anonos de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz .... 37
4.1
Regulación vigente para problemas asociados a la calidad de energía ................ 37
4.1.1 Regulación vigente internacional .............................................................. 37
4.1.2 Regulación vigente nacional...................................................................... 38
4.2 Regulación vigente para sistemas de aterrizamiento............................................ 38
4.2.1 Regulación vigente internacional .............................................................. 38
4.2.2 Regulación vigente nacional..................................................................... 39
4.3 Plantel Anonos de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz .................................. 40
4.3.1
Aspectos generales ................................................................................... 40
4.4 Estudio de campo en el plantel Anonos de la C.N.F.L.......................................... 40
4.4.1 Descripción y evaluación de la instalación existente en el edificio de redes
del plantel Anonos de C.N.F.L. .............................................................................. 41
4.4.2 Mediciones de campo ................................................................................ 48
4.4.3 Propuesta de diseño del sistema de aterrizamiento ................................... 56
4.4.4 Comparación de la malla de aterrizamiento existente y la malla de
aterrizamiento propuesta......................................................................................... 61
4.4.5 Análisis de resultados ................................................................................ 65
CAPÍTULO 5: Guía práctica para el diseño de sistemas de aterrizamiento67
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Introducción........................................................................................................... 67
Análisis constructivo y de cargabilidad................................................................. 67
Análisis del suelo................................................................................................... 68
Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento......................................... 75
Valores máximos permisibles................................................................................ 77
Recomendaciones al elegir la configuración de la malla de aterrizamiento.......... 80
Consideraciones para minimizar problemas de calidad de energía....................... 82
CAPÍTULO 6: Conclusiones ...................................................................... 86
6.1
6.2
Conclusiones.......................................................................................................... 86
Recomendaciones .................................................................................................. 87
BIBLIOGRAFIA......................................................................................... 89
APÉNDICES ............................................................................................... 91
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Transitorio impulsivo causado por una descarga atmosférica. [1]........ 11
Figura 2.2 Transitorio tipo oscilatorio de corriente causado por conmutación de
capacitores. [1]........................................................................................................ 12
Figura 2.3 Transitorio tipo oscilatorio de baja frecuencia causado por la
energización de un banco de capacitores, barra de tensión de 34.5kV. [1]........... 13
Figura 2.4 Caída de tensión temporal debido al arranque de un motor. [1] ........... 15
Figura 2.5 Pico de tensión instantáneo provocado por una falla de línea a tierra. [1]
................................................................................................................................ 16
Figura 2.6 Fluctuación en la tensión causada por arcos eléctricos debidos a
sobrecalentamientos. [1]......................................................................................... 17
Figura 3.1 Efecto de la malla de referencia a señales en la impedancia a tierra. [1]
................................................................................................................................ 25
Figura 3.2 Arreglo de electrodos para el Método de Wenner. [20]........................ 27
Figura 3.3 Carta Maestra. [21] ............................................................................... 30
Figura 3.4 Arreglo de electrodos para el método de caída de potencial. [20] ........ 31
Figura 3.5 Curva de resistencia del electrodo a tierra. [20].................................... 32
Figura 4.1 Medidor digital de la resistencia de la tierra (Digital Ground Resistance
Tester 4500)............................................................................................................ 49
Figura 4.2 Curva de resistividad de Wenner, Plantel Anonos C.N.F.L. Utilizando
Matlab..................................................................................................................... 51
Figura 4.3 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la primera capa,
Método de Wenner ................................................................................................. 52
Figura 4.4 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la segunda capa,
Método de Wenner ................................................................................................. 54
Figura 4.5 Esquema de capas, resistividades y profundidades obtenidas .............. 56
Figura 4.6 Malla de aterrizamiento propuesta ........................................................ 57
Figura 5.1 Medidor digital de la resistencia del suelo............................................ 69
Figura 5.2 Colocación de los electrodos, método de Wenner. [20]........................ 70
Figura 5.3 Curva de resistividad aparente y Carta Maestra.................................... 72
Figura 5.4 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, primera capa.
................................................................................................................................ 73
Figura 5.5 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, segunda capa.
................................................................................................................................ 74
vii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas
de potencia. [1] ....................................................................................................... 10
Tabla 3.1 Valores medios de la resistividad del suelo [7] ...................................... 27
Tabla 4.1 Puesta a tierra del Transformador........................................................... 41
Tabla 4.2 Lista de materiales instalados en el edificio de redes............................. 42
Tabla 4.3 Características eléctricas presentes en el edificio de redes .................... 42
Tabla 4.4 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta alta del Edificio de redes... 43
Tabla 4.5 Distribución de tableros en la planta alta del edifico de redes ............... 43
Tabla 4.6 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta baja del Edificio de redes.. 43
Tabla 4.7 Distribución de tableros en la planta baja del edifico de redes .............. 44
Tabla 4.8 Resistividad del terreno plantel Anonos de CNFL................................. 50
Tabla 4.9 Parámetros de la malla propuesta. .......................................................... 58
Tabla 4.10 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de
aterrizamiento propuesta......................................................................................... 59
Tabla 4.11 Parámetros de la malla existente. ......................................................... 62
Tabla 4.12 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de
aterrizamiento existente.......................................................................................... 62
Tabla 4.13 Resultados obtenidos para el cálculo de la tensión de la malla de
aterrizamiento existente.......................................................................................... 63
Tabla 4.14 Comparación de las mallas de aterrizamiento ...................................... 64
Tabla 5.1 Valores de resistencia a tierra para transformadores. [8] ....................... 68
Tabla 5.2 Valores de resistencia a tierra de equipos de baja tensión. [8]............... 68
Tabla 5.3 Porcentaje de reducción de la resistencia según la configuración [8] .... 75
Tabla 5.4 Resumen de ecuaciones para calcular la resistencia de la malla en
modelos de dos capas. ............................................................................................ 76
Tabla 5.5 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la resistencia de
la malla de aterrizamiento....................................................................................... 77
Tabla 5.6 Valores medios de la resistividad del suelo [7] ...................................... 78
Tabla 5.7 Resumen de ecuaciones para calcular la tensión de malla. .................... 79
Tabla 5.8 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la tensión de
malla. ...................................................................................................................... 80
Tabla 5.9 Fenómeno electromagnético y dispositivo a utilizar para minimizar su
efecto ...................................................................................................................... 84
viii
NOMENCLATURA
AC (CA): Corriente Alterna.
ANSI: American National Standard Institute (Instituto Nacional de Estándares
Americanos)
A.R.E.S.E.P: Autoridad Reguladora de Servicios Públicos.
AWG: American Wire Gauge (Calibración Americana de Cables)
CC (DC): Corriente Continua
C.N.F.L: Compañía Nacional de Fuerza y Luz, S.A
IEEE: The Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de
Ingenieros Eléctricos y Electrónicos)
NEC: National Electric Code (Código Eléctrico Nacional de Estados Unidos)
PU: Por Unidad.
PVC: Policloruro de vinilo (material de las tuberías eléctricas)
RMS: Raíz Media Cuadrática.
T-8: Lámparas fluorescentes con balastos electrónicos.
UL: Underwriters Laboratories (Laboratorios de Evaluación)
UPS: Uninterruptible Power Supplies (Fuentes de potencia ininterrumpida)
XLPE: Polietileno reticulado (aislamiento de cables subterráneos)
ix
RESUMEN
Este proyecto tiene como objetivo analizar la malla de aterrizamiento existente en el
edificio Administrativo del Departamento de Redes Eléctricas ubicado en el plantel
Anonos de la C.N.F.L. y proponer un rediseño de la misma considerando conceptos
ligados con la calidad de energía, con el fin de desarrollar una guía práctica para el
diseño de mallas de aterrizamiento robustas, capaces de minimizar los problemas de
calidad de energía que puedan presentarse en sistemas eléctricos.
En el capítulo 4 se desarrolla el estudio de campo en el cual se realizaron las mediciones
respectivas para analizar el terreno y su resistividad, a partir de esto se llevaron a cabo
los cálculos pertinentes de resistencia de la malla y valores máximos permisibles de
tensiones, tanto en la malla existente como en la propuesta, además se llevó a cabo una
inspección del sistema existente, seguido por una serie de recomendaciones para
mejorarlo desde el punto de vista de la calidad de energía.
El capítulo 5 presenta la guía práctica, que tiene como base las recomendaciones
presentes en las normas nacionales e internacionales de la IEEE, el NEC, y el estudio de
campo realizado en el plantel Anonos de la C.N.F.L. La implementación de esta guía
pretende dar un enfoque práctico para escoger la configuración de la malla de
aterrizamiento, así como recomendaciones y consideraciones para minimizar los
posibles problemas de calidad de energía.
En el capítulo 6 se indican las principales conclusiones entre las cuales es importante
mencionar que al realizar el proceso de investigación bibliográfico y el estudio de
normas, es evidente la falta de información nacional en cuanto a la calidad de energía
desde el punto de vista de su efecto en los usuarios y la prevención de los problemas
que trae consigo, así como la escasez de apoyo al diseñar un sistema de aterrizamiento.
x
CAPÍTULO 1: Introducción
1.1 Justificación
La calidad de energía se define como cualquier problema de potencia que se manifieste
como una variación en la tensión, corriente o frecuencia y cuyo resultado sean fallas o
una mala operación de los equipos del usuario. [1]
En la última década se han introducido en gran escala equipos electrónicos a los
sistemas eléctricos. Debido a que estos equipos son susceptibles a pequeñas
fluctuaciones en los parámetros de tensión, corriente y frecuencia, es de suma
importancia el estudio de la calidad de energía, el cual se ha convertido en un factor
indispensable para garantizar el buen funcionamiento de equipos y mantener una alta
confiabilidad de los sistemas de potencia.
Cabe mencionar que para minimizar los problemas de calidad de la energía se busca que
la potencia entregada sea constante, se mantenga dentro de los ámbitos de voltaje y
frecuencia y posea una forma de onda senoidal libre de contenido armónico. Por lo tanto
las variaciones en la tensión, las distorsiones armónicas y los malos sistemas de
aterrizamiento suelen ser los principales responsables de causar problemas de calidad de
energía. Ante esta situación y ante la falta de procedimientos de diseño de sistemas de
aterrizamiento en el país, surge la idea de elaborar este trabajo y abrir así el camino para
futuros estudios sobre el tema.
Seguidamente se muestran una serie de ejemplos prácticos con la intención de dar a
conocer la importancia de una adecuada puesta a tierra en la calidad de energía y por lo
tanto en el buen funcionamiento de equipos.
1
1. Razones del mal funcionamiento de un seleccionador de semillas en el sureste de
Alabama. [12]
Este seleccionador de semillas no era capaz de operar por un periodo de tiempo
continuo, que en ocasiones era de cinco minutos y en otras ocasiones de varias
horas, sin apagarse debido a un error de comunicaciones. Para recuperar la
operación apropiada era necesario reiniciar la máquina manualmente. El proceso
de reiniciación tardaba cerca de cinco minutos provocando pérdidas importantes
en el proceso de producción. La operación de la máquina mejoraba en los
periodos lluviosos, lo que indicaba que se debía a problemas de aterrizamiento.
Luego de realizar pruebas y consultar a ingenieros de la Compañía de Energía de
Alabama (Alabama Power Company´s EPQ Engineers) se concluyó que la falla
se debía a errores en el cableado y aterrizamiento del sistema eléctrico de esta
industria; los principales puntos a destacar son los siguientes:
•
Al alimentar equipo electrónico, se debe incluir siempre un cable de
tierra con los conductores de fase.
•
Varillas a tierra separadas no se deben implementar en un sistema
eléctrico a menos que estén conectadas adecuadamente al sistema de
puesta a tierra. El NEC indica que todos los electrodos a tierra que posea
el sistema eléctrico en cuestión deben unirse para formar un sistema de
puesta a tierra interconectado y una única referencia.
•
Si el neutro y la tierra están conectados en el panel de alimentación, es
posible que se den referencias intermitentes no equipotenciales en los
distintos módulos del seleccionador de semillas, debido a las corrientes
circulantes por la conexión de tierra y neutro.
2
2. Motivos del daño de equipos en un servicio de grúas en Alabama.[12]
Se presentaron daños en equipos eléctricos y en el sistema telefónico. La
alimentación era un banco de transformadores de 12.47kV en estrella a 480V
en delta sin aterrizar. Para alimentar cargas monofásicas se utilizaba un
transformador seco de 480:120/240 V. Al realizar pruebas e investigaciones
se detectó que el problema se debía al sistema no aterrizado, debido a que
como se indica en el NEC, en el Libro Verde de la IEEE y en el Handbook
de Sistemas de Potencia Industriales, una de las razones por las que se deben
aterrizar los sistemas de corriente alterna es para limitar las variaciones del
tensión debido a descargas atmosféricas y transitorios en las líneas y para
estabilizar el voltaje a tierra durante operación normal. Además las fallas
debidas a arcos hacia tierra en sistemas no aterrizados pueden provocar sobre
tensiones severas, llegando a seis veces el valor nominal.
Por lo tanto es de suma importancia que los sistemas de corriente alterna
estén aterrizados para protección de personas y equipo, si se debe utilizar un
sistema no aterrizado, es recomendable que se le instale indicadores de falla
a tierra para que se localicen y despejen las fallas tan pronto como ocurran.
3. Causas del mal funcionamiento de computadoras personales en un
ayuntamiento en Alabama. [12]
Los errores de operación se daban únicamente en una computadora personal
por lo que el problema estaba en el circuito ramal al que estaba conectada
esta, luego de realizar investigaciones adicionales se descubrió que una
sección del conducto metálico en este circuito ramal había sido reemplazado
con un conducto plástico y que otra sección del circuito no poseía conducto,
esto significa que del todo no había aterrizamiento en el circuito. Por este
3
tipo de situaciones es necesaria la instalación de un cable de tierra separado
con los conductores de fase y no utilizar el conducto como tierra en sistemas
que alimenten controles basados en microprocesadores y demás equipos
electrónicos, debido a que este tipo de equipos necesitan una referencia de
señales confiable y es más efectiva la utilización de un cable de tierra.
Con estos ejemplos es claro que los sistemas de puesta a tierra poseen un rol de suma
importancia en cuanto a la calidad de energía entregada a los usuarios y mediante estos
sistemas se evitan daños y malas operaciones de los equipos, además de protección a los
usuarios.
En cuanto a calidad de energía el rol principal de los sistemas de aterrizamiento es
proporcionar una referencia confiable a todas las señales eléctricas del sistema y
garantizar el buen funcionamiento de los equipos presentes en el sistema.
4
1.2 Objetivos
1.2.1
Objetivo general
Realizar una investigación bibliográfica y un estudio de campo para elaborar una
propuesta de diseño del sistema de puesta a tierra del edificio de redes del plantel
Anonos de la C.N.F.L. considerando conceptos ligados a la calidad de energía.
1.2.2
•
Objetivos específicos
Investigar sobre los conceptos de calidad de energía asociados al diseño de
sistemas de puesta a tierra.
•
Indagar sobre las técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra.
•
Revisar las normas y regulaciones existentes sobre el diseño de sistemas de
puesta a tierra.
•
Revisar las normas y regulaciones existentes sobre calidad de energía.
•
Realizar un estudio de campo dentro del plantel Anonos de la C.N.F.L haciendo
uso de los equipos de medición disponibles en la C.N.F.L.
•
Elaborar la propuesta de diseño óptimo para el sistema de puesta a tierra del
plantel Anonos de la C.N.F.L.
•
Desarrollar una guía práctica para el diseño de sistemas de puesta a tierra
tomando en cuenta los conceptos ligados a la calidad de energía.
5
1.3 Metodología
El desarrollo de este trabajo se lleva a cabo primeramente mediante investigación
bibliográfica, realizando una revisión de libros, artículos, tesis y otros proyectos
relacionados con el tema, con el objetivo de recopilar información e ideas útiles para el
desarrollo de este proyecto.
Además, mediante esta investigación bibliográfica se realiza una búsqueda de ejemplos
prácticos sobre el problema de la calidad de energía enfocado a los sistemas de
aterrizamiento, con sus respectivas soluciones y recomendaciones para crear un marco
conceptual que permita analizar de una mejor manera los problemas presentes en el
plantel de Anonos de la C.N.F.L.
Luego, se realiza un análisis y estudio detallado de las regulaciones y normas vigentes
para los temas de calidad de energía y sistemas puestos a tierra.
Como siguiente punto se programan visitas al plantel Anonos de la C.N.F.L, con las
cuales se pretende lo siguiente:
1. Conocer acerca de los problemas de calidad de energía ligados a los sistemas de
aterrizamiento presentes en el plantel.
2. Realizar un estudio del tipo de instrumentación disponible para llevar a cabo las
pruebas y mediciones necesarias para diseñar un sistema de puesta a tierra.
3. Determinar el método que mejor se adapte al caso del plantel de los Anonos para
el diseño óptimo de los sistemas de puesta a tierra en el edificio elegido;
justificando adecuadamente su elección.
4. Llevar a cabo las mediciones necesarias para el desarrollo del método antes
elegido.
5. Ejecutar un resumen y análisis según los resultados obtenidos para finalmente
proponer el diseño óptimo del sistema de aterrizamiento para el edificio elegido
6
por medio del cual se garantice confiabilidad del sistema eléctrico y
minimización de los problemas que conciernen la calidad de energía.
Finalmente, se elabora una guía práctica de diseño, la cual resume las principales
consideraciones para lograr sistemas de puesta a tierra robustos, que garanticen un buen
funcionamiento de los equipos sensibles de un usuario final.
7
CAPÍTULO 2: Calidad de energía en redes eléctricas
2.1 Importancia de la calidad de energía
El crecimiento en la fabricación y en la utilización de dispositivos electrónicos sensibles
en las industrias, así como el aumento de cargas no lineales en las mismas, ha traído
consigo una serie de nuevos retos tanto para las empresas proveedoras de servicios
eléctricos como para los consumidores finales de la energía eléctrica.
Estos retos, entendidos como una gama de problemas que afectan el funcionamiento del
equipo eléctrico instalado en el cliente final de una empresa eléctrica, se resumen en un
solo término: la calidad de energía. Este tema se ha convertido en toda un área de
estudio dentro de la ingeniería eléctrica, debido a que la evaluación de los sistemas
eléctricos y su calidad de energía resulta importante tanto por factores técnicos como
económicos entre los cuales se pueden mencionar:
•
Aumento en la vida útil de los equipos.
•
Funcionamiento eficiente de los mismos.
•
Menor riesgo de fallas, con esto se aumenta la confiabilidad de operación.
•
Disminución de costos por mantenimiento.
•
Reducción de costos de operación ante una menor compra de dispositivos de
protección y sistemas de respaldo.
•
Menor inversión en pólizas de seguros ante un mejor desempeño de los equipos.
•
Se reduce el riesgo de demandas y su consecuente costo.
•
Se evitan pérdidas en las líneas de producción.
En general se puede afirmar que la calidad de energía garantiza al usuario final, sea este
residencial, comercial o industrial que los niveles de potencia, entiéndase tensión,
corriente y frecuencia, van a estar dentro de los valores adecuados para que los
8
dispositivos funcionen de la mejor manera posible, logrando cumplir sus labores de
manera satisfactoria.
2.2 Factores que afectan la calidad de energía en sistemas de potencia
Existen tres formas básicas en las que se puede presentar un problema de calidad de
energía en un sistema eléctrico:
•
Desviaciones en la tensión.
•
Desviaciones en la corriente.
•
Desviaciones en la frecuencia.
Dichos fenómenos pueden ser ocasionados por mala operación de los equipos, mal
diseño del sistema de protecciones, exceso de cargas no lineales, errores en la maniobra
de las subestaciones, puesta en marcha de nuevos equipos, cableado inapropiado, malas
técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra, corrientes de corto circuito, descargas
atmosféricas, conmutación de bancos de capacitores, balastos electrónicos, efecto de los
variadores de frecuencia, funcionamiento de sistemas de potencia ininterrumpida (UPS),
convertidores CA-CC, entre otros.
Para entender mejor las causas de algunos de estos fenómenos en la siguiente sección se
describen algunos fenómenos electromagnéticos, que explican porque se producen los
problemas de calidad de energía a raíz de los factores antes mencionados.
9
2.3 Eventos electromagnéticos que producen problemas de calidad de
energía
En un sistema de potencia es muy común que se presenten eventos o fenómenos
electromagnéticos que se deben a una serie de factores, como los mencionados en la
sección anterior, y que se traducen en variaciones o fluctuaciones en la tensión,
corriente o frecuencia del sistema de potencia. Es debido a estas variaciones que los
usuarios detectan los mencionados problemas de calidad de energía responsables de
causar malos funcionamientos de equipos y en algunos casos interrupción de procesos.
En la tabla 2.1 se resumen los fenómenos electromagnéticos que se han estudiado
debido a su presencia en los sistemas de potencia y algunas de sus características.
Tabla 2.1 Categorías y características de fenómenos electromagnéticos en sistemas
de potencia. [1]
Nanosegundo
Impulsivos
Microsegundo
TRANSITORIOS
Milisegundo
Baja frecuencia
Oscilatorios
Media frecuencia
Alta frecuencia
Interrupciones
Instantáneas
Sag
Swell
VARIACIONES
Interrupciones
DE CORTA
Momentáneas
Sag
DURACIÓN
Swell
Interrupciones
Temporales
Sag
Swell
VARIACIONES
Interrupciones, sostenidas
DE LARGA
Bajas tensiones
DURACIÓN
Sobre tensiones
DESBALANCE DE VOLTAJE
DC offset
DISTORCIÓN EN
Armónicas
LA FORMA DE ONDA
Interarmónicas
Notching
Ruido
FLUCTUACIONES DE VOLTAJE
Duración típica
< 50 ns
50 ns - 1 ms
> 1 ms
0,3 - 50 ms
20 µs
5 µs
0,5 - 30 ciclos
0,5 - 30 ciclos
0,5 - 30 ciclos
30 ciclos - 3 s
30 ciclos - 3 s
30 ciclos - 3 s
3 s - 1 min
3 s - 1 min
3 s - 1 min
> 1 min
> 1 min
> 1 min
Estado estable
Estado estable
Estado estable
Estado estable
Estado estable
Estado estable
intermitente
VARIACIONES EN LA FRECUENCIA
< 10 s
Categorías
10
Magnitud típica de voltaje
0 - 4 pu
0 - 8 pu
0 - 4 pu
< 0,1 pu
0,1 - 0,9 pu
1,1 - 1,8 pu
< 0,1 pu
0,1 - 0,9 pu
1,1 - 1,4 pu
< 0,1 pu
0,1 - 0,9 pu
1,1 - 1,2 pu
0,0 pu
0,8 - 0,9 pu
1,1 - 1,2 pu
0,5 - 2%
0 - 0,1%
0 - 20%
0 - 2%
0 - 1%
0,1 - 7%
0,2 - 2 Pst
A continuación se profundiza en algunos de los fenómenos electromagnéticos antes
mencionados debido a que su efecto en la calidad de energía es de suma importancia en
el desarrollo de este trabajo.
2.3.1
Transitorios
El término transitorios se utiliza en el análisis de sistemas de potencia para referirse a un
evento indeseable y momentáneo en la naturaleza. Se puede definir como un cambio
súbito en el estado estable de la tensión, la corriente o una determinada carga, que se
manifiesta como una variación en la forma de onda, cuya duración es una fracción del
ciclo de la frecuencia natural.
Los transitorios pueden clasificarse en dos categorías: impulsivos y oscilatorios.
2.3.1.1 Transitorio tipo impulso
Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o
ambas, que es unipolar. Los transitorios impulsivos se caracterizan por sus tiempos de
elevación y caída, debido a que alcanzan altos valores de voltaje en periodos de tiempo
muy cortos, pero su caída es más lenta y suave. La causa más común de este tipo de
transitorios son las descargas atmosféricas. En la figura 2.1 se muestra un transitorio
tipo impulso provocado por una descarga atmosférica.
Figura 2.1 Transitorio impulsivo causado por una descarga atmosférica. [1]
11
Debido a las altas frecuencias involucradas, la forma de los transitorios impulsivos
puede cambiar rápidamente por los componentes del circuito y puede presentar
características significantemente diferentes al ser visto desde distintos puntos del
sistema de potencia. Estos transitorios pueden excitar la frecuencia natural de los
circuitos del sistema de potencia y provocar transitorios oscilatorios.
2.3.1.2
Transitorios tipo oscilatorios
Es un cambio súbito en la condición de estado estable de la tensión, la corriente o
ambas, que incluye las polaridades negativa y positiva. Consiste en voltajes o corrientes
cuyos valores instantáneos cambian rápidamente.
Los transitorios oscilatorios de altas frecuencias son aquellos cuya frecuencia primaria
es mayor a 500 kHz, su duración es de microsegundos y surgen como respuesta a
transitorios tipo impulso en el sistema local. Los transitorios de media frecuencia son
los que duran cerca de 20 microsegundos y cuya frecuencia primaria es de 5 a 500 KHz,
surgen de energización de capacitores, conmutaciones de cables o como respuesta del
sistema ante un transitorio impulsivo. En la figura 2.2 se muestra un transitorio debido a
la conmutación de capacitores.
Figura 2.2 Transitorio tipo oscilatorio de corriente causado por conmutación de
capacitores. [1]
12
Los transitorios tipo oscilatorios de bajas frecuencias presentan frecuencias primarias
menores a 5 kHz y duraciones de milisegundos, este tipo de fenómenos son comunes en
sistemas de subtransmisión y distribución y son causados por muchos tipos de eventos,
el más común es la energización de bancos de capacitores, como el caso mostrado en la
figura 2.3; también se asocian a energización de transformadores y ferroresonancia, este
último caso se muestra en la figura 2.4.
Figura 2.3 Transitorio tipo oscilatorio de baja frecuencia causado por la
energización de un banco de capacitores, barra de tensión de 34.5kV. [1]
2.3.2
Variaciones de tensión de larga duración
Son variaciones rms en la frecuencia del sistema cuya duración es mayor a 1 minuto.
Pueden ser sobre tensiones, bajas tensiones o interrupciones sostenidas, que por lo
general son causadas por variaciones en las cargas del sistema y operaciones de
conmutación en los sistemas.
2.3.3
Variaciones de tensión de corta duración
Son interrupciones cortas, se clasifican en instantáneas, momentáneas o temporales,
según su duración, son causadas por condiciones de falla, energización de cargas
13
grandes que requieren altas corrientes de inicio o a conexiones flojas en el cableado del
sistema. Dependiendo de la localización de la falla y las condiciones del sistema, se
pueden dar caídas de tensión de corta duración (sags), picos de tensión de corta
duración (swells) o pérdida total de voltaje.
Para minimizar o eliminar el efecto de este tipo de eventos, el sistema eléctrico debe
poseer un sistema de aterrizamiento robusto.
2.3.3.1
Interrupciones
Las interrupciones ocurren cuando el voltaje entregado o la corriente de la carga
desminuye a menos de 0.1 pu por un periodo de tiempo menor a 1 minuto. [1]
Pueden ser el resultado de fallas en los sistemas o equipos, y malfuncionamiento de
controles. La magnitud del voltaje durante una interrupción es un 10% del voltaje
nominal y su duración depende del tiempo de operación de los dispositivos de
protección utilizados en el sistema.
2.3.3.2 Caídas de tensión de corta duración (sags)
Un sag es una disminución entre 0.1 y 0.9 pu de la tensión o corriente rms a la
frecuencia fundamental que dura entre 0.5 ciclos y 1 minuto. [1]
Las caídas de corta duración de la tensión o sags se asocian con fallas en el sistema,
energización de cargas pesadas o arranque de motores grandes. El tiempo para limpiar
la falla depende de la magnitud de la corriente de falla y del tipo de protección de
sobrecorriente. Como se muestra en la tabla 1 la duración de estas caídas de tensión se
subdivide en tres categorías: instantáneas, momentáneas y temporales, se pretende que
estas duraciones sean correspondientes a los tiempos de operación típicos de los
dispositivos de protección y a las duraciones recomendadas por las normas y el NEC.
En la figura 2.4 se muestra un ejemplo de sag de voltaje debido al arranque de motores.
14
Figura 2.4 Caída de tensión temporal debido al arranque de un motor. [1]
2.3.3.3
Picos de tensión de corta duración (swells)
Un swell se define como un incremento entre 1.1 y 1.8 pu en la tensión o en la corriente
rms a la frecuencia fundamental y cuya duración es entre 0.5 ciclos y 1 minuto. [1]
No son tan comunes como los sags, pero al igual que estos se deben a condiciones de
falla en los sistemas, pueden suceder debido al aumento temporal en la tensión en una
de las fases no falladas durante una falla de línea a tierra, este caso se ilustra en la figura
2.5. También ocurren al abrir un interruptor para sacar una carga pesada o al energizar
bancos de capacitores grandes. Los swells se caracterizan por su magnitud y duración, la
severidad del pico de tensión durante la falla es función de la localización de la falla, de
la impedancia del sistema y del aterrizamiento del mismo.
15
Figura 2.5 Pico de tensión instantáneo provocado por una falla de línea a tierra. [1]
2.3.4
Fluctuaciones en la tensión
Las fluctuaciones en la tensión son una serie de cambios o variaciones aleatorias en la
tensión, cuya magnitud normalmente no excede los rangos especificados por la norma
ANSI C84.1 de 0.9 a 1.1 pu. [1]
Las cargas que exhiben variaciones rápidas y continuas en la magnitud de la corriente
de la carga, pueden provocar fluctuaciones rápidas en la tensión, conocidas como
flickers o “parpadeos” de la luz percibidas por el ojo humano. La señal de estos
“parpadeos” se define según su valor rms como un porcentaje de la señal fundamental y
son medidos con respecto a la sensibilidad del ojo humano. Las causas más comunes de
fluctuaciones en la tensión en sistemas de transmisión y distribución son los arcos
eléctricos debidos a sobrecalentamientos. En la figura 2.6 se muestra un ejemplo de este
tipo de fenómenos.
16
Figura 2.6 Fluctuación en la tensión causada por arcos eléctricos debidos a
sobrecalentamientos. [1]
17
CAPÍTULO 3: Sistemas de Aterrizamiento
Un sistema de aterrizamiento es el conjunto de cables, varillas y demás conductores
interconectados que proporcionan una referencia adecuada para todas las tensiones del
sistema y un retorno seguro y de baja impedancia para las corrientes de falla o de
desbalance. Los sistemas de aterrizamiento se ubican en un medio conductivo como lo
es el suelo.
Los principales requisitos con los que debe contar un sistema de puesta a tierra son los
siguientes:
•
Protección de las personas expuestas a corrientes de falla que se puedan
presentar en la instalación.
•
Adecuada operación de las protecciones del sistema.
•
Referencia estable para las tensiones y trayecto seguro de retorno para las
corrientes de desbalance.
•
Valor de resistencia adecuado según el tipo de instalación. Resistencia poco
variable debido a cambios ambientales.
•
Vida útil de al menos 20 años.
•
Alta conductividad y disipación de corriente.
•
Minimización de ruidos eléctricos.
•
Conformado por elementos no corrosivos.
•
Costo económico debidamente proporcional a la protección del sistema.
•
Fácil mantenimiento y medición.
•
Cumplimiento de normas y especificaciones.
El NEC establece que un trayecto a tierra efectivo debe cumplir con los siguientes
puntos:
•
Ser permanente y continuo.
18
•
Ser capaz de conducir de manera segura cualquier corriente de falla que se
presente en el sistema.
•
Presentar impedancia lo suficientemente baja para limitar el voltaje a tierra y
facilitar la operación de los dispositivos de protección en el circuito.
•
Control de todo tipo de transitorios presentes en el sistema para minimizar
problemas de calidad de energía.
3.1 Importancia de los sistemas de puesta a tierra
Existen varias razones por las que es de suma importancia que un sistema eléctrico
cuente con un adecuado sistema de aterrizamiento, entre estas se encuentran la
protección de las personas y dispositivos, balance de los sistemas eléctricos y
proporcionar un punto al cual referir todas las corrientes y tensiones de dicho sistema.
La razón más importante por la que existen los sistemas de puesta a tierra es la
seguridad de las personas, por lo tanto se deben diseñar de manera que prevengan la
posibilidad de altas tensiones de toque en superficies metálicas ante fallas en equipos.
La tensión de toque es la diferencia de potencial entre una estructura metálica expuesta
y un punto a un metro en la superficie del suelo [7]. Tomando esto en consideración
toda carga eléctrica y superficie metálica debe estar conectada a tierra.
Otra razón de suma importancia por la que deben existir sistemas de puesta a tierra en
toda instalación eléctrica es para asegurar que los dispositivos de protección operen de
manera adecuada, una práctica de diseño para garantizar seguridad es proveer un
retorno al punto donde la fuente de alimentación está aterrizada. De esta forma se
garantiza que al ocurrir una falla en el aislamiento o cualquier otro tipo de falla que
provoque contacto entre una fase y alguna carcasa, exista un camino de baja impedancia
19
de retorno al neutro de la fuente de alimentación. Debido a la sobre corriente resultante
el interruptor o fusible actúa y desconecta el circuito fallado rápidamente.
En cuanto a calidad de energía es de suma importancia que los sistemas cuenten con un
sistema de puesta a tierra adecuado, esto principalmente para garantizar una referencia
equipotencial a todas las señales presentes, ya que diferencias de potencial entre
referencias de distintos circuitos provoca daños en aislamientos, corrientes circulantes
en cables de baja tensión, e interferencia con equipos sensibles. Actualmente la mayoría
de los procesos se controlan mediante dispositivos sumamente sensibles a variaciones
en la tensión, corriente y frecuencia del sistema, tales como los fenómenos mencionados
en la sección 2.3 y que presentan malfuncionamiento o fallas ante pequeñas
fluctuaciones en dichos parámetros, por esto garantizar una puesta a tierra adecuada y
con esto mejor calidad de energía en el sistema es vital para llevar a cabo de manera
efectiva los procesos.
3.2 Problemas típicos relacionados con los sistemas de puesta a tierra
Muchos de los problemas relacionados con calidad de energía en un sistema eléctrico se
deben a cableados y aterrizamientos inadecuados, algunos de estos problemas se pueden
detectar por simple observación, otros de estos requieren de mediciones voltajes,
corrientes o impedancias en los circuitos para ser determinados. A continuación se
resumen algunos de estos problemas y sus posibles causas.
3.2.1
Problemas con conductores y conectores
Los problemas con conductores o conectores se dan principalmente en la acometida del
sistema, en el tablero principal y en los subtableros principales, una mala conexión
como lo son las conexiones falladas, flojas o resistivas, se traduce en calentamiento,
posibilidad de arqueos y quemas de aislantes.
20
3.2.2 Ausencia de puesta a tierra de protección
Al ocurrir una falla en un equipo que no se encuentre aterrizado, es posible que se
provoque un potencial en las superficies del equipo sin que las protecciones actúen, lo
que hace peligroso el contacto con dichas superficies.
3.2.3
Múltiples conexiones de tierra a neutro
Según lo estipulado por el NEC la única conexión entre el neutro y la tierra debe ser en
la acometida del sistema, a menos que exista un sistema derivado y totalmente separado.
El neutro y la tierra deben mantenerse separados en todos los tableros del sistema, si no
se cumple con este requisito se provocan caminos paralelos para el retorno de las
corrientes, siendo uno de estos retornos el circuito de puesta a tierra, con esto se
provoca mala operación de protecciones ya que durante una falla la corriente fluye a
través de la tierra y el neutro, sin alcanzar el valor de disparo de las protecciones,
poniendo en riesgo la seguridad de las personas.
3.2.4
Varillas adicionales a tierra
Las varillas a tierra deben ser parte del sistema de aterrizamiento de la instalación y
deben estar conectadas donde todos los electrodos de tierra están unidos, múltiples
varillas a tierra pueden estar unidas en la acometida para reducir la resistencia total a
tierra. A los equipos electrónicos sensibles se les puede instalar una tierra aislada,
siempre y cuando esta no represente una nueva referencia para el equipo en cuestión.
Al existir varillas a tierra adicionales se presenta uno de los problemas de calidad de
energía más importantes, debido a que estas provocan trayectos adicionales al flujo de
corrientes debidas a descargas atmosféricas y desbalances. De esta manera, si las
varillas a tierra están conectadas a la acometida, cualquier corriente debida a descargas
atmosféricas y desbalances presentes en la instalación fluyen a tierra en dicho punto y el
potencial de toda la instalación aumenta en igual medida. Mientras que si existen
21
varillas adicionales, las corrientes debidas a descargas atmosféricas fluyen a través del
cableado del sistema hasta las varillas adicionales a tierra, provocando posibles
transitorios de voltaje que afectan el funcionamiento de equipos y problemas de
sobrecarga que calientan los conductores.
3.2.5
Lazos de tierra
Los lazos o bucles de tierra son uno de los problemas de aterrizamiento más comunes y
dañinos en industrias y comercios que poseen equipos de procesamiento de información
y de comunicación.
Se presentan cuando los cables a tierra de dos dispositivos utilizan distintos trayectos y
un cable de comunicación entre dichos dispositivos proporciona otra conexión a tierra
entre ellos, se produce una leve diferencia de potencial entre los dos sistemas de
aterrizamiento que puede provocar corrientes circulantes en el lazo formado. Aún
magnitudes muy bajas de corriente circulante provocan serios problemas de armónicas.
Las soluciones son utilizar acoples ópticos en las líneas de comunicación para así
eliminar los lazos a tierra y lograr aislamiento adecuado para soportar los transitorios de
sobre voltaje, también es recomendable la instalación de pararrayos.
3.2.6
Dimensionamiento del neutro
Las cargas no lineales como los balastos provocan una gran cantidad de contenido de
tercera armónica en los sistemas de potencia y en estos casos es muy importante el
dimensionamiento del neutro del sistema de alimentación. Las corrientes de tercera
armónica en un sistema balanceado aparecen en la secuencia cero del circuito, esto
quiere decir que las corrientes de tercera armónica de cada fase se van a sumar en el
neutro, en vez de cancelarse como sucede en el caso de corrientes a 60 Hz. Por lo
general en presencia de cargas no lineales el neutro debe dimensionarse en el ámbito de
140% a 170% de la magnitud de la corriente a la frecuencia fundamental de cada fase.
22
3.3 Soluciones a problemas en sistemas de puesta a tierra
A continuación se resumen las principales prácticas mediante las cuales es posible
reducir o solucionar los problemas típicos en sistemas de puesta a tierra.
3.3.1
Resistencia del electrodo a tierra
Posee tres componentes:
1. Resistencia propia del electrodo, debido a la conexión física del cable de
tierra de la instalación y el electrodo de aterrizamiento.
2. Resistencia de contacto entre el electrodo y el suelo, se ha determinado
que se puede despreciar si el electrodo no posee pintura, grasa o algún
otro tipo de capa, y si la tierra es compacta y firme.
3. Resistencia debida a la resistividad del terreno en las vecindades del
electrodo, esta depende del tipo de suelo y de la humedad del mismo.
Se busca que la puesta a tierra sea un camino de baja impedancia atractivo a las
corrientes de falla. La resistencia del electrodo a tierra es importante debido a su
influencia en los niveles de los transitorios electromagnéticos durante la acción de
interruptores y descargas atmosféricas. Lo que sucede es que las altas corrientes durante
las descargas atmosféricas provocan un voltaje a través de la resistencia elevando la
referencia de la instalación completa, la diferencia de voltaje entre la referencia y la
tierra real provoca potenciales de toque peligrosos en ciertos puntos de la instalación.
3.3.2
Conexiones adecuadas en la acometida del sistema
Los componentes más importantes de un sistema de puesta a tierra adecuado están
ubicados en la acometida del mismo. En todo el sistema se debe garantizar una tierra
segura que inicia en la acometida y recorre todo el sistema, esta debe mantener todos los
conductores con los que se pueda estar en contacto a igual potencial, proporcionar un
trayecto de retorno de corrientes de falla al punto donde el neutro de la fuente de
23
alimentación está aterrizado. A continuación se resumen los principales puntos de
conexión en la acometida:
•
Conexión del punto neutro del sistema de alimentación y el cable de
aterrizamiento.
•
Único lugar del sistema donde se conecta el electrodo de tierra y el cable de
tierra través de un conector.
•
Punto de conexión de todos los electrodos a tierra presentes en el sistema.
3.3.3
Conexiones correctas en el tablero principal
El tablero principal es el punto en el sistema donde los circuitos ramales son suplidos
por los circuitos alimentadores provenientes de la acometida, por lo tanto en este se
conecta el neutro del circuito ramal con el neutro del circuito alimentador, pero no debe
existir conexión entre el neutro y tierra, según lo indicado en el NEC.
3.3.4
Instalación de una tierra aislada
En algunas ocasiones la calidad de energía suplida a cargas sensitivas puede mejorarse
instalando una tierra aislada a la carga, esto se realiza mediante toma corrientes de
tierras aisladas, solamente unido al cable de tierra del alimentador. Se requieren
cuidadosas prácticas de cableado para evitar conexiones accidentales entre la tierra
aislada y la tierra de seguridad del todo el sistema.
3.3.5
Derivaciones aisladas del sistema de potencia
Las derivaciones de sistemas separados poseen una referencia a tierra que es
independiente de los otros sistemas, el punto en el sistema donde se define la nueva
referencia a tierra es como otra acometida donde se unen el neutro del sistema con el
cable de tierra mediante un conector. Este tipo de derivación de sistemas separados es
utilizado para proporcionar una referencia a tierra local para cargas sensibles, dicha
referencia presenta una gran reducción en los niveles de contenido armónico si se utiliza
24
un transformador de aislamiento para suplir el sistema separado, además se reduce la
magnitud de las corrientes armónicas del sistema completo.
3.3.6
Referencia de señales
Los sistemas de aterrizamiento proporcionan una referencia para el intercambio de
señales entre los circuitos de comunicación o control en la instalación.
La característica principal de la tierra como referencia de señales es que debe poseer una
baja impedancia dentro de un gran ámbito de frecuencias, esto se logra utilizando un
calibre adecuado para el cable de tierra. Para reducir problemas de calidad de energía el
cable a tierra debe ser al menos del mismo tamaño de los conductores de fase y el
neutro. Conforme la frecuencia aumenta, la longitud de onda se reduce al grado de
provocar resonancia en longitudes cortas de cable; para proporcionarles a los equipos
sensibles una referencia a tierra que sea efectiva dentro de un ámbito de frecuencias de
0 a 30 MHz, se utiliza una malla de forma rectangular de varillas de cobre de referencia
a señales [1]. De esta manera aún cuando una porción se encuentre en resonancia
siempre habrá otras que no están en resonancia debido a los múltiples caminos
disponibles para el flujo de corrientes. En la siguiente figura se muestra el efecto de la
malla de referencia en la impedancia a tierra.
Figura 3.1 Efecto de la malla de referencia a señales en la impedancia a tierra. [1]
25
3.3.7
•
Otras recomendaciones
Utilizar circuitos ramales independientes para alimentar equipos sensibles, estos
proporcionan buen aislamiento para transitorios de altas frecuencias y ruido.
•
Los conductos no deben ser nunca el aterrizamiento de equipos sensibles, debido
a que las corrientes circulantes por estos ductos pueden causar interferencia a
señales electrónicas y de comunicación. Además que es difícil garantizar la
continuidad eléctrica en los ductos.
•
Los cables a tierra deben ser del mismo calibre que los conductores de corriente.
3.4 Técnicas de diseño de sistemas de puesta a tierra
3.4.1
Resistividad del suelo
Al diseñar un sistema de puesta a tierra se debe determinar en primera instancia la
resistividad del suelo en el cual se ubicarán los componentes que conforman el sistema
de aterrizamiento en cuestión, debido a que las características del suelo que rodean de
forma inmediata el electrodo de aterrizamiento influyen fuertemente en las estructuras a
tierra. La resistividad se considera el parámetro más importante en el diseño y correcto
desempeño de los sistemas de aterrizamiento.
La resistividad es medida en Ohms por metro (Ω-m) y es equivalente a la resistencia
que ofrece al paso de corriente un cubo de terreno de 1m de arista.
Este parámetro varía de acuerdo con la composición química y conformación física del
suelo, por esto en la mayoría de los casos es necesario representarla mediante modelos
de dos o más capas, los métodos de dos capas son los más precisos.
En la tabla 1 se indican los tipos de terreno desde el punto de vista del aterrizamiento de
sistemas, por lo tanto dependen de la resistividad media del suelo.
26
Tabla 3.1 Valores medios de la resistividad del suelo [7]
Naturaleza del terreno Resistividad media (Ω-m)
Suelo orgánico, cultivable
50-200
Arcilloso, semiárido
200-750
Pedregoso, arenoso, árido
> 1000
3.4.2
Tipo
Bajo
Medio
Alto
Método de Wenner
El método de Wenner es el método más recomendado para la determinación de la
resistividad del terreno en el cual se desea ubicar los electrodos del sistema de
aterrizamiento, tal como se muestra en la figura 3.2. Este método consiste en ubicar
cuatro electrodos en el suelo de forma lineal y a igual separación unos de otros, esta
separación se debe variar de manera uniforme hasta cubrir todo el terreno a analizar, de
esta manera se toman una serie de mediciones, a través de un instrumento digital, con
las cuales se determina la cantidad y profundidad de capas presentes en el suelo en
cuestión.
Figura 3.2 Arreglo de electrodos para el Método de Wenner. [20]
La función de los dos electrodos de los extremos es inyección de corriente y la función
de los electrodos centrales es medición de la tensión en esos puntos, mediante estos dos
parámetros es posible determinar la resistencia aparente del suelo a través de la cual se
calcula la resistividad correspondiente.
27
La separación de los electrodos se relaciona con la profundidad de penetración de las
líneas de corriente, una distancia de separación típica para realizar la primera medición
es de 0.5m en línea recta, continuando la separación hasta cubrir el área disponible para
localizar el sistema de puesta a tierra. La profundidad de penetración de los electrodos
debe ser menor a un 10% de la distancia de separación entre electrodos adyacentes.
Al inyectar corriente a través de los electrodos exteriores y medir la tensión
correspondiente mediante los electrodos internos, se calcula la resistividad aparente, que
es el promedio de la resistividad del suelo hasta una profundidad proporcional a la
separación entre los electrodos y se expresa mediante la siguiente ecuación.
ρa = α
V
I
(3.1)
Donde ρa es la resistividad aparente del suelo, V es el potencial superficial de la tierra, I
es la corriente inyectada por los electrodos exteriores y α es el factor de
proporcionalidad entre V e I, llamada factor geométrico, este factor se expresa mediante:
α = 2 ⋅π ⋅ a
(3.2)
Donde a es la separación entre electrodos.
Sustituyendo (3.2) en (3.1) se obtiene una nueva expresión para la resistividad aparente
en función de la corriente inyectada, el potencial superficial obtenido y la separación
entre electrodos.
ρa = 2 ⋅π ⋅ a ⋅
V
I
(3.3)
Con la ecuación (3.3) se calculan las resistividades correspondientes a las distintas
mediciones tomadas al variar la separación entre electrodos. Si el valor de la resistividad
no varía mucho el suelo se considera uniforme en caso contrario es no uniforme y se
deben analizar las capas necesarias.
28
El siguiente paso según el método de Wenner es graficar en una hoja logarítmica los
datos de resistividad en función de la separación entre electrodos obtenidos, para
determinar la cantidad de capas y la profundidad de estas. Estas curvas de resistividad
cambian suavemente sin presentar cambios súbitos a menos que se atraviese una falla
vertical o una discontinuidad local.
Al analizar un suelo no uniforme es necesario tomar en cuenta dos o más capas, esto es
posible lograrlo mediante el cálculo del factor de reflexión.
K=
ρ 2 − ρ1
ρ 2 + ρ1
(3.4)
Donde K es el factor de reflexión, ρ2 es el valor de la capa en cuestión y ρ1 es el valor de
la capa previa.
La relación entre la resistividad aparente, la resistividad de la primera capa, el factor de
reflexión y la relación entre la profundidad de la primera capa y la separación de
electrodos se describe mediante la siguiente ecuación.
∞
ρa
= 1 + 4 ⋅ ∑ K n [(1 + 4 ⋅ n 2 ⋅ (h / a ) 2 ) −1 / 2 − (4 + 4 ⋅ n 2 ⋅ (h / a) 2 ) −1 / 2 ] (3.5)
ρ1
n =1
Se le llama carta maestra al conjunto de curvas obtenidas al graficar ρa/ρ1 en función de
h/a en coordenadas logarítmicas y haciendo variar el factor de reflexión desde K = -0.99
hasta K = 0.99. Mediante esta carta es posible analizar los datos de campo obtenidos,
haciendo coincidir la curva experimental con alguna de las curvas de la familia de la
carta maestra para así conocer el factor de reflexión correspondiente. En la figura 3.2 se
muestra la familia de curvas conocidas como carta maestra y utilizada para realizar
estudios de resistividad del suelo.
29
Figura 3.3 Carta Maestra. [21]
Para determinar el valor de ρ1 se considera que el valor de ρa/ρ1 = 1 en la carta maestra y
como ρa es un dato conocido se despeja ρ1. Para determinar la profundidad h de la capa
en cuestión se considera que el punto h/a = 1 en la carta maestra, de igual manera la
separación entre electrodos a es un valor conocido y al despejar se determina la
profundidad h.
Una vez conocidos ρ1 y K es posible determinar el valor de resistividad de la segunda
capa mediante la ecuación (4) y repetir el mismo procedimiento para la segunda capa.
El siguiente paso es desplazar la carta maestra sobre el gráfico para hacer coincidir el
siguiente tramo con una nueva curva y determinar el nuevo factor de reflexión y repetir
el procedimiento, esta vez tomando en cuenta que ya se tiene un valor previo de
resistividad que debe ser promediado con el nuevo valor al realizar los cálculos
respectivos.
Debido a que desde el punto de vista del diseño de un sistema de puesta a tierra lo que
se requiere es conocer las características superficiales del suelo, la utilización de un
30
modelo de dos capas es lo suficientemente preciso para garantizar que el sistema sea
confiable.
3.4.3
Medición de la resistencia de aterrizamiento
La medición de la resistencia de aterrizamiento es de suma importancia al determinar
que tan efectivo y confiable es el sistema de aterrizamiento, esta mediación se realiza en
sistemas existentes y mediante el método de caída de potencial. Este método consiste en
la inyección de corriente en un punto lejano al lugar donde se realiza la medición, para
obtener datos de caída de tensión en distintos puntos entre el electrodo de inyección de
corriente y el electrodo de medición, utilizando un instrumento digital. Se utiliza un
tercer electrodo que es el que se desplaza desde el punto de inyección de corriente hasta
el punto de medición y mediante el cual se miden las caídas de tensión entre este y la
referencia.
Figura 3.4 Arreglo de electrodos para el método de caída de potencial. [20]
A partir de estas mediciones se traza un gráfico de resistencia en función de la distancia
para determinar la resistencia de la instalación, el valor correcto corresponde a la parte
plana de la curva.
31
Figura 3.5 Curva de resistencia del electrodo a tierra. [20]
En resumen, el procedimiento a seguir al aplicar el método de caída de potencial es el
siguiente [7]:
1. Colocar el electrodo de inyección de corriente a una distancia varias veces
mayor que la diagonal mayor generada por el sistema de puesta a tierra.
2. Efectuar mediciones de resistencia desplazando el electrodo de potencial desde
puntos cercanos al punto de medida hasta el electrodo de inyección de corriente.
3. Registrar los valores de resistencia en función de la distancia en un gráfico.
4. La parte horizontal del gráfico representa la zona adecuada de medición de la
resistencia.
3.4.4
Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento en sistemas de
dos capas
Es posible calcular la resistencia en sistemas de dos capas para el caso en que los
electrodos de aterrizamiento penetran la capa inferior mediante la siguiente ecuación:
⎛ 1
1 ⎞
⎟⎟
Rt = ⎜⎜
+
⎝ Ra Rb ⎠
32
−1
(3.6)
Donde Ra es la resistencia dependiente de la capa inferior y Rb es la resistencia
dependiente de la capa superior y se calculan de la siguiente manera:
Ra =
Rb =
ρ2
(l + hb − h)
ρ1
(h − hb )
F0
N
(3.7)
F0 ρ1
+ ⋅ φ0
N
h
(3.8)
⋅ g0 ⋅
⋅ g0 ⋅
Donde
g0 =
1
2 ⋅π
⎡ ⎛ 2⋅l ⎞
⎤
ln 2
⋅ ⎢ln⎜
⎟ −1+
⎥
1 + (4 ln 2 ⋅ hb ) / l ⎦
⎣ ⎝ a ⎠
(3.9)
Con l longitud de la varilla y a radio de la varilla.
Además F es un factor multiplicativo para mallas de múltiples varilla y se calcula para
suelos homogéneos de la siguiente manera:
⎛
1 ⎞ Rs
F = 1 + ⎜⎜ N −
⎟⎟ ⋅
N ⎠ Rl
⎝
(3.10)
Las múltiples reflexiones de los suelos de dos capas varía la longitud de cada electrodo,
de esta manera el factor F se puede aproximar para el caso de suelos de dos capas
mediante la siguiente suposición.
l
⎛
⎞
F0 = F ⎜ l ′ →
⎟
1 − 0 .9 ⋅ K ⎠
⎝
(3.11)
La ecuación anterior indica que para considerar esta variación en la longitud de las
varillas producto de las distintas resistividades presentes en el suelo de dos capas, se
debe sustituir l de la manera indicada en la ecuación y sustituir el valor obtenido en la
siguiente ecuación:
Rs
=
Rl
3
3
l ′ ⎡⎛ 1 ⎞ ⎛ l ′ ⎞ ⎤
⋅ ⎢⎜ ⎟ + ⎜
⎟ ⎥
r ⎣⎢⎝ 2 ⎠ ⎝ l ′ + r / 2 ⎠ ⎦⎥
2 ⋅π ⋅ g0
33
1/ 3
(3.12)
Esta ecuación representa la relación entre la resistencia de cada varilla y la resistencia
de un círculo de radio r que se considera como el área efectiva de la malla de
aterrizamiento.
El efecto de múltiples reflexiones de las capas en los N electrodos, cuando la
profundidad de la capa superior es menor que la profundidad de la varilla y la malla está
dado por:
φ=
3.4.5
1 ⎛
1 ⎞
⋅ ⎜ ln
⎟
2 ⋅π ⎝ 1 − K ⎠
2
2
(3.13)
⎛N
⎞ ⎛ l + hb ⎞
⎜⎜ − 1⎟⎟ ⋅ ⎜
⎟ +1
⎝ F0
⎠ ⎝ h ⎠
Valores máximos permisibles en el diseño de sistemas de
aterrizamiento
Al realizar el diseño de un sistema de aterrizamiento es de suma importancia considerar
ciertos parámetros para garantizar seguridad en la instalación y protección de personas y
equipos.
3.4.5.1 Tensión de paso
Cuando una persona camina o tiene las piernas separadas sobre la superficie del suelo
cercano al sistema de conexión a tierra y en ese momento se da una disipación de
corriente de falla en el sistema, la persona será sometida a una diferencia de potencial,
que producirá a su vez la circulación de corriente a través de sus piernas. [8]
Por esta razón es necesario determinar un valor máximo tolerable de tensión de paso
para protección de las personas ante falla en la instalación, este valor máximo
permisible se calcula mediante la siguiente ecuación:
V paso = (116 + 0.7 ρ s ) / t
Donde ρs es la resistividad superficial y t es el tiempo de duración de la falla.
34
(3.14)
3.4.5.2
Tensión de toque
Es la tensión que se produce por una diferencia de potencial cuando una persona toca
una estructura que se encuentre a una tensión distinta a la del suelo sobre el que se
encuentra, esto provoca circulación de corriente a través del cuerpo. De igual manera
que para la tensión de paso, se debe establecer un valor máximo permisible mediante la
siguiente ecuación:
Vtoque = (116 + 0.174 ρ s ) / t
(3.15)
Donde ρs es la resistividad superficial y t es el tiempo de duración de la falla.
3.4.5.3
Tensión de malla
Es el máximo valor de la tensión de contacto producto de la elevación de potencial en
toda la malla ante una condición de falla, se determina mediante la siguiente ecuación:
Vmalla =
ρ ⋅ IG ⋅ Km ⋅ Ki
LT
(3.16)
En la cual los factores Km, Ki y Ks dependen de la geometría de la malla y se definen
mediante las siguientes ecuaciones:
⎞⎤
⎛
h ⎞ K ii
1 ⎡ ⎛ D2
( D + 2 + h) 2
8
⎜
⎟⎟ +
⎟⎟⎥
Km =
⋅ ⎢ln⎜
+
−
⋅ ln⎜⎜
2 ⋅ π ⎣ ⎝ 16 ⋅ h ⋅ d
8⋅ D ⋅h
4 ⋅ d ⎠ Kk
⎝ π (2 ⋅ n − 1) ⎠⎦
(3.17)
Donde D es la distancia entre conductores, h es la profundidad de los conductores, d es
el diámetro del conductor, además:
K ii =
1
( 2 ⋅ n) 2 / n
n=
2 ⋅ LC
LP
(3.18)
(3.19)
LP es la longitud de conductor en el perímetro de la malla y LC es la longitud total de
conductor y varillas.
35
Kh = 1+
h
h0
(3.20)
Con h0 la profundidad a la que se encuentra la malla.
Además
K i = 0.644 + 0.148 ⋅ n
(3.21)
Para determinar la tensión de malla es también necesario determinar la porción de
corriente de corto circuito que fluye por la malla, se calcula de la siguiente manera:
IG = I g ⋅ D f
(3.22)
Donde Df es un factor de decremento cuyos valores dependen del tiempo de duración de
la falla y se determina mediante la tabla 10 de la norma IEEE 80-2000.
Ig = I f ⋅S f
(3.23)
Donde If es la corriente de corto circuito y Sf es el factor divisor de corriente cuyo valor
depende la configuración de las líneas de alimentación del sistema y se determinan
mediante curvas y tablas presentes en la norma IEEE 80-2000.
Para garantizar los valores máximos permisibles, la tensión de malla debe satisfacer la
tensión máxima de toque:
Vmalla ≤ Vtoque
(3.24)
En caso de no cumplirse se debe modificar la configuración de la malla de
aterrizamiento.
36
CAPÍTULO 4: Caso de Estudio: Calidad de energía y
Sistemas de Puesta a Tierra en el Plantel Anonos de la
Compañía Nacional de Fuerza y Luz
4.1 Regulación vigente para
problemas asociados a la calidad de
energía
A continuación se presentan las normas existentes relacionadas con la calidad de la
energía en los sistemas eléctricos, tanto a nivel nacional como a nivel internacional. Es
importante destacar que las normativas presentes en el país son escasas y en su mayoría
son dirigidas a las empresas distribuidoras de electricidad y no a los diseñadores de los
sistemas eléctricos o usuarios directos de dichos sistemas.
4.1.1
Regulación vigente internacional
La norma de mayor interés a nivel internacional en el tema de calidad de energía es una
norma de la IEEE denominada: IEEE 1159-1995. Prácticas recomendadas en el
monitoreo de la calidad de energía eléctrica.
Esta norma explica las categorías de los principales efectos electromagnéticos presentes
en los sistemas de potencia y responsables de los problemas de calidad de energía, sus
características de duración y magnitudes típicas de tensión.
Además hace énfasis en el tema de monitoreo de la calidad de energía en los sistemas de
potencia.
37
4.1.2
Regulación vigente nacional
Norma Técnica de la A.R.E.S.E.P denominada:
“Calidad del Voltaje de Suministro” (AR – NTCVS)
La norma define la amplitud de la tensión de servicio en redes generales de distribución,
bajo condiciones normales de operación. Define conceptos como porcentaje máximo de
asimetría de las tensiones de fase, severidad del parpadeo, muestra las principales
características de las variaciones de voltaje de corta duración (transitorias), sus
magnitudes y duraciones típicas, así como los límites de magnitud y duración
permisibles. Además indica la información que deben contener los reportes de
evaluaciones de la calidad de tensión en un sistema determinado.
4.2 Regulación vigente para sistemas de aterrizamiento
4.2.1
Regulación vigente internacional
En cuanto a sistemas de aterrizamiento existen gran cantidad de normas y
recomendaciones a nivel internacional. A continuación se resumen algunas de las más
importantes en el desarrollo del presente trabajo.
Artículo 250 del National Electric Code (NEC) 2005.
En su artículo 250 el Código Eléctrico Nacional de los Estados Unidos y adoptado por
Costa Rica, cubre los requerimientos generales para aterrizamiento e interconexión de
instalaciones eléctricas, indica los sistemas que deben aterrizarse, localización de las
conexiones a tierra, tipo y calibre de los conductores y electrodos de aterrizamiento e
interconexión, métodos recomendados y condiciones especiales.
IEEE 1100-1992. Libro Esmeralda: Prácticas recomendadas en la alimentación y
aterrizamiento de equipos electrónicos sensibles.
38
Dicta todos los lineamientos a considerar al diseñar sistemas de aterrizamientos en
sistemas eléctricos que poseen equipos electrónicos sensibles. Recomienda equipo para
la supresión de fluctuaciones responsables de causar el malfuncionamiento o daño de
este tipo de equipos, especificando el tipo de problema de calidad de energía y los
dispositivos tecnológicos que minimizan o suprimen dichas condiciones. Además en
esta norma se definen los pasos a seguir en inspecciones de instalaciones y análisis de
los sistemas de potencia.
IEEE 142-1991. Prácticas recomendadas para aterrizamiento de industrias y
comercios.
En esta norma se especifican las consideraciones a seguir al realizar sistemas de
aterrizamiento industriales y comerciales, define lo relacionado a la conexión a tierra,
cálculos de la resistencia a tierra, análisis de resistividad en los terrenos, métodos y
técnicas de construcción, y recomendaciones específicas para el caso de aterrizamiento
de equipos electrónicos. También ciertas pautas del NEC relacionadas con el tema.
Además incluye los valores límites de resistencias a tierra dependiendo del sistema en
cuestión.
4.2.2
Regulación vigente nacional
La norma técnica de la A.R.E.S.E.P denominada:
“Instalación y Equipamiento de Acometidas Eléctricas” (AR-NTACO)
En esta norma se definen y describen los aspectos técnicos generales respecto a las
conexiones entre las redes de las empresas distribuidoras y las instalaciones eléctricas
de los usuarios siguiendo una serie de lineamientos.
Además define aspectos como el valor máximo de la resistencia a tierra,
recomendaciones en cuanto al tipo de varillas a utilizar, el tipo y conexión del
conductor.
39
4.3 Plantel Anonos de la Compañía Nacional de Fuerza y Luz
4.3.1
Aspectos generales
La Compañía Nacional de Fuerza y Luz nace el 8 de abril de 1941 como una empresa
generadora y distribuidora de energía. Desde su creación, la C.N.F.L está legalmente
constituida como una Sociedad Anónima, inscrita en el Registro de la Propiedad y con
vigencia garantizada hasta el año 2040.
Es la principal empresa distribuidora de electricidad en Costa Rica, posee un conjunto
de redes que cubren 903 Km2 del Área Metropolitana, donde se concentra la mayor
parte de la población, la vida institucional y las principales actividades comerciales y
productivas del país.
El sistema de distribución lo constituyen 32 subestaciones, con 5.553 Km de líneas en
operación y 1351MVA de capacidad instalada en transformadores de distribución,
logrando una cobertura del 99% de la zona servida.
Dentro de sus varios planteles ubicados alrededor del país, se tiene el plantel de
Anonos como uno de ellos, el cual se escoge para el trabajo debido a que en este se
encuentra el departamento de Eficiencia Energética y Conservación de la Energía, el
cual se encargó de suministrar ciertas facilidades para el desarrollo de este trabajo.
4.4 Estudio de campo en el plantel Anonos de la C.N.F.L
A continuación se realiza un estudio de campo en el plantel Anonos de la C.N.F.L.
Específicamente este estudio se basa en una inspección del edificio de redes eléctricas
de dicho plantel, a partir de la cual se busca determinar la situación actual del edificio y
mediante un análisis detallado, definir posibles recomendaciones para mejorar el diseño
de manera que se minimicen los problemas de calidad energética que se puedan
presentar.
40
4.4.1 Descripción y evaluación de la instalación existente en el edificio de
redes del plantel Anonos de C.N.F.L.
Se realiza un análisis del sistema de aterrizamiento existente en el edificio de redes
ubicado en el plantel de Anonos de la C.N.F.L. A continuación se especifican las
principales características de dicho edificio.
4.4.1.1
•
Datos técnicos de la instalación existente
Red de media tensión:
Red subterránea aislada a 35 kV, para operar un sistema trifásico a 34.5 kV, con una
longitud de 25 metros. Utiliza cable de cobre con aislamiento XLPE, calibre 1/0 AWG
por tres fases y cable calibre 1/0 AWG como tierra en dos ductos de PVC.
Alimenta el transformador de 150kVA, 34.5KV – 120/208V, trifásico estrella
sólidamente aterrizada, 251 A en el primario, 404 A en el secundario, corriente de corto
circuito de 10.6 kA, impedancia de 4%.
•
Sistemas de puesta a tierra:
Puesta a tierra del transformador:
Tabla 4.1 Puesta a tierra del Transformador
Registro
Aplicación
Valor
TP1 Transfromador sin energizar 4,73 Ω
TP1
Transfromador energizado 4,71 Ω
Puesta a tierra de la instalación:
Configuración triángulo equilátero con tres electrodos de cobre, 5/8 x 3 metros cada
uno, enlazados entre sí con cable 3/0 AWG, conectores de perno partido.
41
•
Lista de materiales instalados:
Tabla 4.2 Lista de materiales instalados en el edificio de redes
Descripción
Cable de 35KV, 1/0 AWG
Cable de 600V, 1/0 AWG
Conector tipo codo
Pararrayos tipo codo
Pararrayos de distribución
Cortacircuitos
Terminaciones tipo interperie
•
Cantidad
156 metros
52 metros
Suministrados por CNFL
Suministrados por CNFL
5
5
3
Marca
Condumex
Phelps Dodge
Cooper Power
Cooper Power
Maurizio
Raychem
Características de los tableros presentes en el edificio de redes:
En la siguiente tabla se especifica la información de los centros de carga presentes en el
sistema eléctrico del edificio de redes y sus respectivos parámetros.
Tabla 4.3 Características eléctricas presentes en el edificio de redes
Parámetro
Corriente de
corto circuito (kA)
kVA demandados
Factor de demanda
Factor de potencia
Fases
Neutro
Tierra
Longitud
Tensión nominal
Tensión calculada
% Caída
kVA totales
•
T-P
T-A
T-B
TR-1
TR-2
T-UPS
T-UPS1 T-UPS2
10
38,5
100%
100%
3 # 2/0
1 # 2/0
1 # 2/0
10m
208V
207,5V
0,30%
38,5
10
13
100%
100%
3#6
1#6
1#6
3m
208V
207,7V
0,16%
13
10
11
100%
100%
3#8
1#8
1#8
5m
208V
207,3V
0,35%
11
10
1
100%
100%
1#8
1#8
1#8
4m
208V
207,8V
0,04%
1
10
1,6
100%
100%
1#8
1#8
1#8
6m
208V
207,7V
0,11%
1,6
10
5,2
100%
100%
1#8
1#8
1#8
8m
208V
207V
0,46%
5,2
10
2,1
100%
100%
1#8
1#8
1#8
3m
208V
207,8V
0,07%
2,1
Cargas conectadas a la red eléctrica:
El edificio de redes es un edifico de dos plantas, a continuación se especifican las cargas
conectadas y el detalle del cuarto eléctrico de cada planta.
42
10
3
100%
100%
1#8
1#8
1#8
6m
208V
207,6V
0,20%
3
Planta alta:
Tabla 4.4 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta alta del Edificio de redes
Carga
Balastos de iluminación
Computadoras
Impresoras
Ploter
Cantidad
16
8
3
1
Características
1x4m, 3 tubos T8
Cuarto eléctrico de la planta alta:
Tabla 4.5 Distribución de tableros en la planta alta del edifico de redes
Tablero
T-B
TR-2
T-UPS2
Cargas
Capacidad de la
barra de puesta tierra
Iluminación
Toma corrientes
Seca manos
Supresor de transitorios
A/C*
Toma corrientes
Supresor de transitorios
UPS
Supresor de transitorios
175 A
125 A
100 A
Planta baja:
Tabla 4.6 Cargas conectadas a la red eléctrica, planta baja del Edificio de redes
Carga
Balastos de iluminación
Computadoras
Impresoras
Cantidad
12
8
3
43
Características
1x4m, 3 tubos T8
Cuarto eléctrico de la planta baja:
Tabla 4.7 Distribución de tableros en la planta baja del edifico de redes
Tablero
Cargas
Capacidad de la
barra de puesta tierra
T-A
T-B
T-R1
T-P
TR-2
T-UPS
T-UPS1
T-UPS2
Bomba de agua*
Iluminación
Toma corrientes
T-A
Seca manos
Supresor de transitorios
A/C*
TR-1
Toma corrientes
Supresor de transitorios
T-UPS
T-UPS1
T-UPS2
T-UPS1
UPS
Supresor de transitorios
*Prevista
225A
125 A
125A
100 A
4.4.1.2 Observaciones y recomendaciones en cuanto a la inspección de la
instalación del edificio de redes del plantel Anonos de C.N.F.L
•
Las dimensiones de los electrodos utilizados están indicados de manera
incorrecta en el plano eléctrico, el plano indica 5/8 metros, cuando lo correcto
es 5/8 pulgadas, esto es 0.015875m.
•
Las cargas conectadas a este sistema eléctrico son en su gran mayoría cargas
electrónicas sensibles no lineales como lo son las computadoras y balastos de
iluminación presentes, por esta razón se deben aplicar las normas relacionadas a
diseño de sistemas de aterrizamiento de sistemas con cargas sensibles.
44
•
La configuración utilizada (triángulo equilátero con tres electrodos de cobre) y
conectados al secundario del transformador, no es la configuración más
adecuada, debido a que según lo especificado en el NEC, al secundario del
transformador se debe conectar un electrodo, pero la malla de aterrizamiento del
sistema debe conectarse a la barra del tablero principal e interconectarse con el
electrodo del transformador.
•
El principal punto a corregir en cuanto al diseño existente es que la malla de
aterrizamiento debe cubrir toda el área del edificio y no solamente 3 metros a la
redonda del transformador, esto con el objetivo de garantizar mayor robustez del
sistema de aterrizamiento y minimizar los posibles problemas de calidad de
energía en los equipos.
•
Debido a que el tipo de cargas presentes son muy sensibles la norma recomienda
la instalación de una malla en forma rectangular con varias varillas, lográndose
así que la referencia de señales sea de baja impedancia dentro de un gran ámbito
de frecuencias y se minimicen los problemas de resonancia que pueden causar
malfuncionamientos en estos equipos electrónicos.
•
El NEC indica que el calibre del cable a tierra debe ser al menos del mismo
calibre que los conductores a tierra en el circuito alimentador. En la sección
250.24(C)(2) se indica que cuando los conductores de fase de la acometida se
encuentran en dos o más ductos, el calibre del cable de tierra se dimensiona
basado en el calibre de los conductores de fase de la acometida y no debe ser
menor a 1/0 AWG. La situación descrita por esta sección, es la que se tiene en la
instalación existente donde el calibre del cable de puesta a tierra es igual al
calibre de los conductores de fase y es de 1/0AWG, por lo que se cumple lo
45
estipulado. Utilizando el calibre adecuado se logra que la referencia mantenga
baja impedancia aún a altas frecuencias.
•
La norma IEEE 1100-1992 indica que un aterrizamiento adecuado de sistemas
de equipos sensibles se debe aterrizar sólidamente. El sistema existente cumple
con esta indicación, al encontrarse directamente aterrizado sin involucrar
impedancia.
•
Debido a que el equipo electrónico sensible es muy susceptible a pequeñas
variaciones no percibidas por equipos de potencia, es recomendable según la
norma IEEE 142-1991 mantener el sistema de aterrizamiento de dichos equipos
aislado del sistema de aterrizamiento de equipos del sistema de potencia,
excepto donde se conectan en un único punto. Debido a que el edificio de redes
de la C.N.F.L posee solo cargas sensibles y no posee equipos de potencia, no es
necesario separar el sistema de aterrizamiento.
•
No fue posible determinar si la estructura del edificio se encuentra aterrizada.
•
En cuanto a los pararrayos, este edificio posee cinco pararrayos de distribución,
que no pudieron ser inspeccionados. Se recomienda que el tamaño de los
pararrayos sea ligeramente mayor al tamaño del transformador a proteger,
preferiblemente proyectándose 25cm sobre el objeto a proteger, si se sobre
dimensiona se convierte en una trayectoria de alta resistencia y los impulsos de
las descargas fluirán por el transformador. El pararrayo debe proporcionar la
trayectoria más corta a tierra y derivando el exceso de voltaje rápidamente, debe
ser del mismo calibre que la línea que alimenta el transformador y debe estar
debidamente aterrizado. Debe garantizarse un amplio contacto contacto con la
tierra para que las descargas se disipen sin causar daños.
46
•
Durante la inspección de los tableros se detectaron situaciones acertadas, en
cuanto a cumplimiento con las normas relacionadas al tema, como lo son:
o Existencia de barra de tierras debidamente conectada en cada tablero.
o Existencia de barras de neutros debidamente conectadas en cada tablero.
o En todos los tableros que el cable de tierra es verde o verde con amarillo y de
calibre mayor o igual al de los conductores de fase.
o No existe conexión entre el cable de tierra y el neutro en los tableros
secundarios.
o Las carcasas de los tableros se encuentran debidamente conectadas a tierra, de
esta manera se garantiza que el sistema de puesta a tierra protege a las personas
que puedan encontrarse en contacto con algún equipo en el momento de falla.
o Existencia de protecciones de corto circuito en todos los tableros: disyuntores
Square D serie QB, certificados por UL.
o Existencia de supresores de picos, en tres tableros secundarios.
o No se observaron conexiones flojas.
•
Algunas de las situaciones que se deben mejorar en la sección de tableros son las
siguientes:
o En el cuarto eléctrico de la planta alta están los equipos correspondientes a las
telecomunicaciones del edificio de redes. Esta práctica no es recomendable
debido a que el equipo de telecomunicaciones es sumamente sensible y puede
verse afectado por interferencias provenientes de los componentes de potencia.
o No existen UPS generales, solamente para cada computadora. Las UPS
proporcionan alimentación regulada de salida, sin importar la condición de la
alimentación de la fuente principal, incluyendo pérdidas totales de tensión.
Actúan de manera que los equipos sensibles no perciben fenómenos como
47
transitorios de tensión, sags, swells, interrupciones momentáneas, variaciones de
frecuencia entre otras. Es de suma importancia la existencia de UPS en edificios
de redes como el analizado.
4.4.2
Mediciones de campo
Con el objetivo de mejorar la metodología actual y ajustarla a los requerimientos de las
cargas presentes en el sistema, se rediseña el sistema de aterrizamiento del edificio de
redes, basado en lo estipulado por el NEC y las normas de la IEEE relacionadas con
aterrizamientos de equipos electrónicos sensibles (IEEE 142-1991, IEEE 1100-1992).
Además se incluye en el diseño consideraciones que minimicen los posibles problemas
de calidad de energía involucrados para garantizar el funcionamiento adecuado y
constante de los equipos del usuario final.
4.4.2.1
Estudio de resistividad
Al realizar un diseño de un sistema de aterrizamiento es de suma importancia conocer el
terreno y las características eléctricas del suelo en el cual se desean instalar los
electrodos de puesta a tierra. Para determinar que tan adecuado es el terreno se realiza
un estudio de resistividad a partir del cual se definen las capas presentes en el suelo con
sus respectivas profundidades y valores de resistividad. A continuación se describe el
análisis realizado para el caso del plantel Anonos de C.N.F.L, la instrumentación
utilizada y los resultados obtenidos.
4.4.2.1.1 Instrumentación
•
Aspectos generales
Para realizar las mediciones de resistividad en el terreno donde se desea instalar el
sistema de aterrizamiento se utiliza un medidor de resistencia de tierra digital,
48
disponible en la compañía, este probador es de marca AEMC Instruments y se llama
Digital Ground Resistance Tester 4500.
Este medidor digital es fácil de utilizar y está diseñado para medir resistencias muy
bajas en sistemas de aterrizamiento extensos, aún bajo condiciones difíciles como en
presencia de altas corrientes parásitas o resistencia excesiva del electrodo auxiliar.
Es capaz de medir hasta 20kΩ, y realizar lecturas de resolución de 1 miliohm. Minimiza
la posibilidad de errores al realizar la lectura, ya que posee indicadores al operador en
condiciones de exceso de corrientes parásitas, al existir resistencia en el electrodo
auxiliar, o al existir discontinuidad entre los electrodos y los lagartos. Además indica si
existe una tensión mayor a 20V pico entre las terminales, al estar conectados los
lagartos.
El medidor puede utilizarse para realizar mediciones de resistividad del suelo con el
método de los cuatro puntos utilizando el rango más alto de 20KΩ.
En la siguiente figura se muestra el medidor utilizado: Digital Ground Resistance Tester
4500.
Figura 4.1 Medidor digital de la resistencia de la tierra (Digital Ground Resistance
Tester 4500)
49
•
Operación
Para determinar la resistividad del suelo, el medidor digital permite realizar las
mediciones necesarias para desarrollar el método de Wenner.
Este método consiste en ubicar los cuatro electrodos auxiliares del medidor digital en el
suelo de forma lineal y a igual separación unos de otros, esta separación se debe variar
de manera uniforme hasta cubrir todo el terreno a analizar, de esta manera se toman una
serie de mediciones, con las cuales se determina la cantidad, resistividad y profundidad
de las capas presentes en el suelo en estudio. Se utilizan los electrodos de los extremos
(X y Z) para la inyección de corriente y los electrodos auxiliares internos (Xv y Y) para
medición de la tensión en esos puntos, de esta manera y mediante la ley de Ohm, el dato
que se despliega es de resistencia aparente del suelo.
En la figura 3.2 se muestra la ubicación de los electrodos auxiliares con sus respectivas
conexiones.
4.4.2.2
Aplicación del Método de Wenner.
Al realizar las mediciones de resistividad utilizando el medidor digital y mediante el
método de Wenner en el suelo del plantel de los Anonos, se obtuvieron los resultados de
resistencia media mostrados en la tabla y mediante la ecuación (3.3) se calculó la
resistividad aparente.
Tabla 4.8 Resistividad del terreno plantel Anonos de CNFL
Seperación de electrodos
a (m)
0,5
1
2
3
5
8
10
15
20
Resistencia media
R (Ω)
35,3
8,86
1,6
0,84
0,42
0,22
0,13
0,1
0,03
50
Resistividad aparente
ρ (Ω-m)
110,8982
55,6690
20,1062
15,8336
13,1947
11,0584
8,1681
9,4248
3,7699
Al graficar la resistencia aparente en función de la separación entre electrodos en escala
logarítmica, se obtiene la curva de Wenner, a partir de esta y la Carta Maestra se realiza
el análisis se resistividad, cantidad y profundidad de las capas presentes en el suelo en
cuestión. Para este caso se obtiene la siguiente curva.
Res istividad del suelo (Ohm -m)
10
10
10
3
Curva de resistividad de W enner, Plantel Anonos, C.N.F.L
2
1
0
10
-1
10
0
1
10
10
Separacion de electrodos (m)
10
2
Figura 4.2 Curva de resistividad de Wenner, Plantel Anonos C.N.F.L. Utilizando
Matlab
Mediante la utilización de un programa en Matlab [22] (ver Anexo 1) es posible obtener
la carta maestra y la curva de resistividad y al hacer coincidir el primer tramo de la
curva de resistividad con alguna de la familia de la carta maestra se obtiene que dichos
puntos coinciden en K = -0.7, tal como se muestra a continuación:
51
Figura 4.3 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la primera capa, Método de Wenner
52
•
Cálculos correspondientes a la primera capa:
Del eje “y” se obtiene que ρa / ρ1 = 1 en la carta maestra. Por lo que ρa = 127 en la curva
de resistividad obtenida de las mediciones. Obteniéndose que la resistividad de la
primera capa es ρ1 = 127 Ω-m
Del eje “x” se obtiene que a/h = 1 en la carta maestra, por lo tanto h = 0.55 en la curva
de resistividad obtenida de las mediciones. Con esto de determina que la profundidad de
la primera capa es h = 0.55m.
Entonces para la primera capa se tiene:
Resistividad: ρ1 = 127 Ω-m
Profundidad: h = 0.55m
La curva de la carta maestra utilizada es con un factor de reflexión K = -0.7
A partir de la ecuación (3.4) se tiene que
K=
ρ 2 − ρ1
ρ 2 + ρ1
Sustituyendo valores se obtiene la resistividad de la segunda capa:
− 0.7 =
ρ 2 − 127
ρ 2 + 127
Obteniéndose ρ2 = 22.41 Ω-m.
Al repetir el procedimiento con el segundo tramo de la curva de resistividad, se obtiene
que la curva K = -0.5 de la Carta Maestra es la que mejor coincide con los datos
experimentales tal y como se muestra a continuación en las curvas obtenidas mediante
la implementación de un programa en Matlab.
53
Figura 4.4 Curva de resistividad y Carta Maestra, análisis para la segunda capa, Método de Wenner
54
•
Cálculos correspondientes a la segunda capa:
Del eje “y” se obtiene que, ρa / ρ1 = 1 en la carta maestra, y por lo tanto ρa = 27 Ω en la
curva de resistividad obtenida de las mediciones.
Por lo que la resistividad de la segunda capa es el promedio entre valor obtenido a partir
del hacer coincidir la curva con la carta maestra y el valor calculado mediante la
ecuación (3.4):
ρ1 =
27 + 22.41
= 24.7Ω ⋅ m
2
Del eje “x” se obtiene que a/h = 1 en la carta maestra, por lo tanto h = 2 en la curva de
resistividad obtenida de las mediciones. Determinándose así que la profundidad de la
segunda capa es h = 2m.
Entonces para la segunda capa se tiene:
Resistividad: ρ2 = 24.7 Ω-m
Profundidad: h = 2m
La curva de la carta maestra utilizada es con un factor de reflexión K = -0.5
A partir de la ecuación (3.4) se tiene que
K=
ρ3 − ρ2
ρ3 + ρ 2
Sustituyendo valores se obtiene la resistividad de la segunda capa:
− 0.5 =
ρ 3 − 24.7
ρ 3 + 24.7
Obteniéndose ρ3 = 8.233 Ω-m.
55
La profundidad de la tercera capa se considera infinita, por ser el método de Wenner un
método para analizar terrenos de dos capas.
Tercera capa:
Resistividad: ρ3 = 8.233 Ω-m
Profundidad: h = ∞
A continuación se muestra un esquema con la cantidad de capas y resistividades
correspondientes obtenido a partir del Método de Wenner.
Figura 4.5 Esquema de capas, resistividades y profundidades obtenidas
4.4.3
Propuesta de diseño del sistema de aterrizamiento
Para realizar los cálculos correspondientes a la resistencia del sistema de electrodos de
aterrizamiento se utilizan dos métodos: el método de aterrizamiento de sistemas de dos
capas y mediante el cálculo de tensiones de paso y toque, siguiendo la norma IEEE 802000.
Según la norma de la ARESEP se debe utilizar varillas de al menos 2.44 m de largo y
19 mm de diámetro.
56
En la norma IEEE 142-1991 se especifica que para suelos de condiciones promedio se
permite el uso de varillas de 12.2m, las de 15.88mm pueden utilizarse en casi todos los
tipos de suelos y las de 19.05mm se utilizan en condiciones de mayor profundidad. En
condiciones ordinarias lo más típico es utilizar varillas de 3m de longitud para cumplir
con lo especificado en el código, 2.44m enterrados.
Cabe mencionar que según lo estipulado en las normas es recomendable que el valor de
resistencia a tierra sea menor a 5Ω en instalaciones con equipo electrónico sensible.
Basándose en las observaciones realizadas a la instalación existente y en las normas
correspondientes se recomienda que el sistema de aterrizamiento de un edifico de redes
sea una malla cuadrada formada por varias varillas de aterrizamiento y que estas se
encuentren al menos a 3 metros de separación entre ellas para evitar interferencias.
El área aproximada del edificio es de 100m2, por lo que se elige una configuración
cuadrada formada por tres varillas en cada lado a una separación de 5 metros entre
ellas. De esta manera el largo de la varilla es semejante a la separación entre ellas.
La malla propuesta es como se muestra en la siguiente figura:
Figura 4.6 Malla de aterrizamiento propuesta
57
Se calculan las tensiones de toque y paso mediante las ecuaciones (3.14) y (3.15),
considerando que para el tipo de terreno donde se encuentra el plantel la resistividad
superficial tomado de la tabla 3.1es de aproximadamente 750 Ω-m por ser un suelo
semiárido, y el tiempo de falla de 0.1s que es un valor alto debido a que la mayoría de
los dispositivos de protección contra fallas de corto circuito actúan en 1 ciclo
(0.01666s) o menos. Utilizando estos valores se obtiene:
Vpaso = 2027.02V
Vtoque = 779.5V
De esta manera es posible calcular la resistencia de la malla mediante las ecuaciones
(3.6) a (3.12) despreciando la capa superior por ser de una profundidad igual a la cual se
instala la malla, pero considerando la capa de profundidad de 2m y la de profundidad
infinita. Para la configuración de malla de aterrizamiento propuesta se tienen los
siguientes valores de los parámetros necesarios al realizar los cálculos.
Tabla 4.9 Parámetros de la malla propuesta.
Parámetro
Valor
3m
l
0.00794 m
a
100 m2
A
60 m
L
0.01587 m
d
hb
h
K
0.5 m
2m
-0.5
ρ1
24.7 Ω
ρ2
N
r
l'
8.233 Ω
8
5.6419 m
2.069 m
Sustituyendo estos valores en las ecuaciones respectivas se obtienen los resultados
mostrados en la tabla 4.10.
58
Tabla 4.10 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de
aterrizamiento propuesta.
Parámetro
Valor
g0
0.9721
Rs/Rl
F
φ
0.0913548
16.985
65.691
Ra
1.1328 Ω
Rb
84.5269 Ω
Rt
1.117Ω
El valor de resistencia obtenido es semejante a 1Ω y es adecuado para un sistema de
aterrizamiento cuyas cargas son equipos electrónicos sensibles. Se deben calcular las
tensiones de mallas y la elevación de potencial máxima para determinar si cumple con
los valores máximos permisibles. A partir de la siguiente ecuación se calcula la máxima
elevación de potencial.
GPR = I G ⋅ R g
(4.1)
Donde la corriente de malla máxima IG se calcula mediante la ecuación (3.22) y
sabiendo que Df es un factor de decremento que para tiempos de falla de 0.1 s es
aproximadamente 1.25, este factor se obtiene de la norma IEEE 80-2000.
IG = I g ⋅ D f
Además la corriente simétrica de falla Ig se calcula mediante la ecuación (3.23):
Ig = I f ⋅S f
Donde If es la corriente de corto circuito y Sf es un factor divisor de corriente que indica
la porción de corriente de corto circuito que fluye por la malla de aterrizamiento ante
condiciones de falla, este factor se puede aproximar mediante las curvas presentes en el
anexo C de la norma IEEE 80-2000, considerando 1 línea de transmisión y 2 líneas de
59
distribución como alimentación del circuito, se obtiene Sf = 35%. Además la corriente
de corto circuito es 10 kA en la acometida del sistema.
Al sustituir valores se obtiene:
Ig = 3500 A
IG = 3500*1.25 = 4375A
GPR = 4887 V
Debido a que el GPR es mucho mayor que la tensión de toque se debe calcular la
tensión de malla y esta debe ser menor a la tensión de toque para garantizar que el
diseño es adecuado.
Para determinar la tensión de paso se deben calcular los factores Km, Ki y Ks que
dependen de la geometría de la malla y se definen mediante las ecuaciones (3.17) a
(3.21) obteniéndose:
K ii =
Kh = 1+
n=
1
= 0.36986
( 2 ⋅ n) 2 / n
h
= 2.236, con h0 la profundidad de la malla 0.5m en este caso.
h0
2 ⋅ LC
, LC = 87m y LP = 40m
LP
n = 4.35
Sustituyendo valores se obtiene Km = 0.8663312
Ahora
K i = 0.644 + 0.148 ⋅ n = 1.2878
Finalmente la tensión de malla se calcula a partir de la ecuación (3.16):
Vmalla =
ρ ⋅ IG ⋅ Km ⋅ Ki
LT
60
Sustituyendo valores se obtiene:
Vmalla = 739.065 V
Se cumple que:
Vmalla < Vtoque
739.065 V ≤ 779.5 V
De esta manera se cumple con los valores máximos permisibles de protección a las
personas.
4.4.4
Comparación de la malla de aterrizamiento existente y la malla de
aterrizamiento propuesta
En la presente sección se pretende realizar una comparación entre la malla de
aterrizamiento existente en el edificio de redes y la malla de aterrizamiento propuesta
para mejorar la confiabilidad y robustez del sistema eléctrico, así como para minimizar
los problemas de calidad de energía que se podrían presentar en una instalación de este
tipo cuyas cargas son muy sensibles a fluctuaciones en las señales de alimentación y
provocan malfuncionamiento de los equipos.
4.4.4.1
Cálculo de la resistencia de tierra de la malla de aterrizamiento existente
La malla de puesta a tierra existente en el edificio de redes del plantel de Anonos de
C.N.F.L es en configuración de triángulo equilátero con 3m de separación entre varillas
y 3m de profundidad. De igual manera que para la malla propuesta se supone a una
profundidad de 0.5m, ya que este dato no está especificado en el plano, ni en la
información con la que se cuenta. Además se considera que el terreno es de las mismas
características que el analizado en la sección 4.4.2.2 cuya capa superior es de 24.7 Ω-m
61
y la capa inferior es de 8.233Ω-m. A continuación se indican los parámetros y sus
respectivos valores para esta configuración.
Tabla 4.11 Parámetros de la malla existente.
Parámetro
Valor
3m
l
0.00794 m
a
6.3639 m2
A
9m
L
0.01587 m
d
hb
h
K
0.5 m
2m
-0,5
ρ1
24.7 Ω-m
ρ2
N
r
l'
8.233 Ω-m
3
1.42326 m
2.069 m
Utilizando el método de determinación de la resistencia de la malla de aterrizamiento
para un suelo de dos capas a partir de las ecuaciones (3.6) a la (3.12) se obtienen los
siguientes resultados:
Tabla 4.12 Resultados obtenidos para el cálculo de la resistencia de la malla de
aterrizamiento existente.
Parámetro
Valor
g0
0.9721
Rs/Rl
F
0.2143
15.191
φ
-0.0194
Ra
2.702 Ω
Rb
7.866 Ω
Rt
2.01 Ω
62
El valor obtenido es un valor bajo y adecuado para sistemas con cargas sensibles como
las presentes en el edificio de redes.
Para determinar la tensión de malla, se utilizan las ecuaciones de la sección 3.4.5.3,
obteniéndose:
Tabla 4.13 Resultados obtenidos para el cálculo de la tensión de la malla de
aterrizamiento existente.
Parámetro
n
Kii
Kh
Km
Ki
IG
Vmalla
Valor
4
0,35355
2,236
0,76378
1,236
3500 A
3022,6 V
Por lo que no se cumple con la relación:
Vmalla ≤ Vtoque
3022.6V > 779.5V
63
4.4.4.2
Resumen de comparación entre las mallas de aterrizamiento
Tabla 4.14 Comparación de las mallas de aterrizamiento
Configuración propuesta
Área: 100m
Configuración existente
2
2
Área: 6.3639m
Separación entre varillas: 5m
Separación entre varillas: 3m
Número de varillas: 9
Número de varillas: 3
Profundidad de la malla: 0.5m
Profundidad de la malla: 0.5m
Resistencia de la malla: 1.117Ω
Resistencia de la malla: 2.01Ω
Tensión de la malla: 744.27 V
Tensión de la malla: 3022.62 V
Cumple con la condición
V malla < V toque
No se cumple con la condición
V malla < V toque
64
4.4.5
Análisis de resultados
A pesar de que la resistencia de la malla para el caso existente es menor a 5Ω tal como
lo indica la norma, esta configuración cubre tan solo un área de cerca de 7m2, área total
del edificio es de 100m2 . Esto representa una ventaja para la malla propuesta pues
cubre la totalidad del edificio, tal como se recomienda en las normas.
La malla propuesta posee 8 varillas mientras que la existente posee 3 varillas, la razón
por la cual se incluyen más varillas es para mejorar la robustez del sistema y que este
garantice una referencia a señales confiable minimizando problemas de resonancia.
Las variaciones de la tensión de corta duración se deben a condiciones de falla o
conexiones flojas en el sistema, por esto un diseño que garantice la adecuada operación
de los dispositivos de protección ante falla, mediante un trayecto de retorno seguro y de
baja impedancia a la fuente del sistema evita estas fluctuaciones en la tensión
responsables de la mala operación de dispositivos.
Las 9 varillas del sistema propuesto están conectadas directamente a la acometida del
sistema.
Para la malla propuesta se realiza un análisis de tensiones de toque, paso y malla,
utilizado en sistemas de media tensión pero recomendable en todos los sistemas. En
este análisis se determinan ciertos valores permisibles de tensiones con los cuales se
garantiza seguridad a las personas que se encuentren en contacto con los equipos y la
instalación, cumpliéndose así con el principal objetivo de las mallas de aterrizamiento,
la protección de las personas. En el caso del diseño existente no se cumple con los
valores máximos permisibles, esto puede deberse a que estos valores son por lo general
considerados en instalaciones a mayor tensión y es probable que al realizar este diseño
no fueron verificadas. Es evidente que la malla existente no es un diseño adecuado para
este tipo de sistema eléctrico y que es posible que se implementara por ser el diseño
65
más típicamente utilizado en el país, sin realizarse un análisis específico para el sistema
de este edificio.
El calibre de los cables de tierra se dimensiona con respecto en los calibres de los
conductores de fases, deben ser de al menos el mismo calibre según lo especificado en
el artículo 250 del NEC; el calibre de la acometida debe ser de al menos 1/0 AWG.
66
CAPÍTULO 5: Guía práctica para el diseño de sistemas de
aterrizamiento
5.1 Introducción
Al realizar el diseño de un sistema de aterrizamiento de una instalación eléctrica se
deben tomar en cuenta una serie de aspectos para minimizar posibles problemas de
calidad de energía, el objetivo de esto es garantizar buen funcionamiento de los equipos
y evitar que los procesos se detengan.
En el presente capítulo se incluyen una serie de recomendaciones con respecto al diseño
de sistemas de aterrizamiento en procura de mejorar la calidad energética, algunas de
estas recomendaciones son para cualquier instalación en general y otras son
específicamente para sistemas cuyas cargas son sensibles como el edificio de redes de
C.N.F.L en el cual se realizó el estudio de campo.
Esta guía pretende exponer una serie de lineamientos basados en normas internacionales
y nacionales para el diseño de sistemas de aterrizamiento y se busca dar una idea más
amplia sobre los pasos a seguir al realizar un diseño de este tipo, teniendo siempre en
cuenta que algunos aspectos deben analizarse para cada caso en específico antes de
tomar alguna decisión de diseño.
5.2 Análisis constructivo y de cargabilidad
Al iniciar el proceso de diseño de un sistema de aterrizamiento el primer paso es
conocer aspectos constructivos y de carga de la edificación que se desea realizar, es
importante conocer el área total de la construcción, ya que la malla de aterrizamiento
debe cubrir toda el área y por lo tanto se debe realizar un estudio de resistividad del
suelo en esta área. Otro aspecto importante es determinar el tipo de cargas que se desean
67
conectar al sistema ya que dependiendo del tipo de cargas las normas indican un valor
de resistencia de la malla que se debe tomar en cuenta durante el diseño. Es necesario
también conocer los niveles de tensión de la alimentación del sistema para determinar el
valor de resistencia máximo permisible de la malla de aterrizamiento.
A continuación se incluyen tablas en las que se recomiendan valores de resistencia de la
malla a tierra dependiendo del tipo de alimentación y del tipo de carga del sistema.
Tabla 5.1 Valores de resistencia a tierra para transformadores. [8]
Tensión
eléctrica
Hasta 34.5 kV
Hasta 34.5 kV
Mayor a 34.5kV
Capacidad del
Valor de
transformador resistencia
Hasta 250 kVA
25Ω
Mayor a 250kVA
10Ω
Mayor a 250kVA
5Ω
Esta tabla es principalmente utilizada en sistemas de alta y media tensión.
Para sistemas de baja tensión se recomiendan los valores de resistencia de
aterrizamiento incluidos en la siguiente tabla.
Tabla 5.2 Valores de resistencia a tierra de equipos de baja tensión. [8]
Equipo eléctrico de
baja tensión
Sistema de cómputo
Tina de hidromasaje
Regadera eléctrica
Lámparas de alberca
Computadora personal
Equipos de oficina
Equipos electrodomésticos
Valores de
resistencia a tierra
1Ω
1Ω
1Ω
1Ω
5Ω
10Ω
10Ω
5.3 Análisis del suelo
Previo a diseñar un sistema de aterrizamiento es necesario analizar el terreno en el cual
se instalará dicho sistema, definir que tan adecuado es el nivel de resistividad del mismo
y si es necesario incluir algún tipo de aditivo al terreno. El suelo debe analizarse
68
mediante el método de Wenner, este método es utilizado en suelos de una o dos capas
para determinar la resistividad y profundidad de cada una de estas capas.
El primer paso al utilizar el método de Wenner es determinar la resistencia aparente del
suelo utilizando un medidor digital de resistencia del suelo (conocido popularmente
como Megger) y mostrado en la figura 5.1.
Figura 5.1 Medidor digital de la resistencia del suelo.
El dispositivo de medición posee terminales a las que se les conecta cuatro electrodos,
dos inyectores de corriente colocados en los extremos y dos medidores de potencial
colocados en el medio, los cuatro electrodos deben colocarse en línea recta a una
distancia de 0.5m entre ellos e ir aumentando la separación hasta cubrir toda el área en
la cual se instalará la malla; para cada separación se toma una medición de resistencia.
Algunas recomendaciones al efectuar las mediciones se resumen a continuación [8]:
•
Realizar las mediciones en la época de estiaje por ser la más crítica.
•
No realizar las mediciones después de las lluvias.
•
Medir en diferentes direcciones.
•
Realizar las mediciones preferiblemente por el método de los cuatro electrodos.
•
Realizar las mediciones a la temperatura más crítica o calurosa del día.
•
Enterrar los cuatro electrodos a la misma profundidad.
•
Ante problemas de inducción, cambiar la dirección 90º.
69
•
Realizar las mediciones en terrenos planos, los terrenos inclinados poseen
diferentes capas.
•
Si el terreno presenta bajo nivel friático, las varillas no se deben enterrar con
mucha profundidad y separarlas a distancias pequeñas.
•
Para mallas pequeñas de edificios, postes o estructuras de transmisión, una
separación de hasta 20 o 25m es suficiente, para mallas grandes de subestaciones
es necesario separaciones de 100m o más.
En la siguiente figura se muestra la ubicación de los electrodos al realizar las
mediciones de resistencia del suelo.
Figura 5.2 Colocación de los electrodos, método de Wenner. [20]
Tal como se muestra en la figura se utilizan los electrodos de los extremos (X y Z) para
la inyección de corriente y los electrodos auxiliares internos (Xv y Y) para medición de
la tensión en esos puntos, de esta manera y mediante la ley de Ohm, el dato que se
despliega es de resistencia del suelo. Para obtener la resistividad aparente del terreno se
utiliza la siguiente ecuación:
ρa = 2 ⋅π ⋅ a ⋅ R
(5.1)
Donde a es la separación de electrodos y R la resistencia dada por el medidor digital.
70
De esta manera se obtiene una serie de valores de ρa, que deben ser graficados en
función de la separación entre electrodos a, en escala logarítmica, para obtener la curva
de resistividad del suelo que se está analizando.
Las curvas de resistividad por lo general presentan cambios suaves, a menos que exista
una falla vertical o una discontinuidad local. Si las resistividades aparentes medidas
varían muy poco sobre un valor promedio, esto indica que el terreno es uniforme, si las
resistividades varían suavemente al aumentar la distancia, se debe analizar las capas
respectivas mediante una familia de curvas estándar conocida como la Carta Maestra.
Cada curva de esta familia se obtiene al graficar la relación resistividad aparente entre
resistividad de la capa (ρa/ρ1) en función de la relación entre la distancia entre
electrodos y la profundidad de la capa (a/h), variando el coeficiente de reflexión de
K = - 0.99 a K = 0.99.
Para determinar la resistividad y profundidad de las capas presentes en el suelo se hace
coincidir alguna curva de la carta maestra con la primer parte de la curva de resistividad.
Al hacerlas coincidir el valor ρa/ρ1 = 1 del eje “y” de la carta maestra superpuesto sobre
el valor real del gráfico indica el valor de resistividad de la capa. Sin desplazar los
gráficos, en el eje “x”, el valor a/h = 1 en la carta maestra superpuesto en la curva de
resistividad indica un valor de profundidad. Estos valores son los respectivos a la
primera capa del suelo.
Cada curva de la carta posee un coeficiente de reflexión K específico, la resistividad de
la segunda capa se determina mediante la siguiente ecuación:
K=
ρ 2 − ρ1
ρ 2 + ρ1
(5.1)
Se repite el procedimiento para la segunda parte de la curva, haciéndola coincidir con
alguna curva de la carta maestra y leyendo del eje “y” la nueva resistividad que se debe
promediar con la obtenida de la ecuación (5.1) y del eje “x” la profundidad respectiva.
71
Mediante la ecuación (5.1) es posible determinar la resistividad de la tercera capa cuya
profundidad es infinita en el caso de ser un suelo de dos capas.
A continuación se muestran los pasos antes expuestos mediante el ejemplo del estudio
de resistividad del suelo de la cancha de fútbol de la C.N.F.L.
En la siguiente figura se muestra la curva de resistividad obtenida del campo en negro y
la familia de curvas de la carta maestra a colores.
Figura 5.3 Curva de resistividad aparente y Carta Maestra
El siguiente paso es hacer coincidir el primer segmento de la curva de resistividad
obtenida del análisis de campo con alguna curva de la carta, en este caso se elige la
curva de K = -0.7, en la siguiente figura se muestra la superposición de estas y sobre el
eje “y” el valor de resistividad, en ohmios por metros, correspondiente a la curva de
campo cuando ρa/ρ1 = 1 en la carta maestra, este dato se indica con un punto rojo. Sobre
el eje “x” se indica el valor de la profundidad de la capa en metros, correspondiente a la
curva de campo cuando a/h = 1 en la carta maestra, mostrado en rojo.
72
Figura 5.4 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, primera capa.
De esta curva se obtiene que ρa = ρ1 =127 Ω-m en el eje “y” y h = a = 0.55 en el eje “x”.
Mediante la ecuación (5.1) se obtiene que ρ2 = 22.41 Ω-m.
Ahora se superpone la carta maestra al segundo segmento de la gráfica de campo, la
curva que mejor coincide es la de K = -0.5. En la siguiente figura se muestra la
superposición y se indican los puntos de resistividad y profundidad sobre los ejes en
rojo.
73
Figura 5.5 Superposición de la carta maestra y el grafico de campo, segunda capa.
De esta curva se obtiene que ρa = ρ2 = 27 Ω-m en el eje “y” y h = a = 2 m en el eje “x”.
Se debe promediar los valores obtenidos ρ2 y sustituir en la ecuación (5.1), para obtener
el valor de resistividad de la tercera capa ρ3 = 8.233 Ω-m, con profundidad infinita, al
ser el método de Wenner un método de dos capas.
Al obtener el valor de resistividad del suelo se determina que tan adecuado es el terreno
en el que se instalará la malla, en caso de que se requiera reducir la resistividad del
terreno se recomienda aplicar aditivos químicos que sean poco corrosivos y amigables
con el ambiente como lo son la bentonita, la marconita y el yeso (sulfato de calcio).
La resistividad de las capas es un valor de suma importancia ya que permite conocer
que tan apto es el suelo para la instalación de la malla y permite realizar el cálculo de la
resistencia de la malla de aterrizamiento.
74
5.4 Cálculo de la resistencia de la malla de aterrizamiento
La determinación de la resistencia de la malla diseñada de aterrizamiento depende de la
uniformidad del suelo en el que se va a instalar, así como de las características de la
malla, en cuanto a su configuración.
Para un terreno de resistividad uniforme, la resistencia del electrodo de puesta a tierra se
determina mediante la siguiente ecuación:
R=
⎛ ⎛ 4⋅L⎞ ⎞
ρ
⋅ ⎜⎜ ln⎜
⎟ − 1⎟
2 ⋅ π ⋅ L ⎝ ⎝ a ⎠ ⎟⎠
(5.2)
Donde ρ es la resistividad del suelo uniforme, L es la longitud del electrodo y a es el
radio del electrodo, esta ecuación indica el valor de resistencia de un solo electrodo a
tierra. Para más electrodos se reduce este valor en un porcentaje como se indica:
Tabla 5.3 Porcentaje de reducción de la resistencia según la configuración [8]
Configuración
Descripción
Porcentaje de reducción
de la resistencia de la malla
2 electrodos en paralelo
Reducción al 55%
3 electrodos en línea recta
Reducción al 35%
3 electrodos en delta
Reducción al 38%
4 electrodos en cuadro
Reducción al 28%
8 electrodos en cuadro
Reducción al 17%
8 electrodos en círculo
Reducción al 16%
75
La tabla 5.3 indica las ecuaciones necesarias para calcular la resistencia de la malla de
aterrizamiento para un modelo de dos capas.
El valor de esta resistencia debe confirmarse con las tablas 5.1 y 5.2 dependiendo del
tipo de carga o alimentación del sistema eléctrico.
Tabla 5.4 Resumen de ecuaciones para calcular la resistencia de la malla en
modelos de dos capas.
Parámetro
Ecuación
Resistencia total de la
malla de aterrizamiento
Resistencia relacionada
a la capa inferior
⎛ 1
1 ⎞
⎟⎟
+
Rt = ⎜⎜
R
R
b ⎠
⎝ a
R
Resistencia relacionada
a la capa superior
a
=
Rb =
g0 =
1
2 ⋅π
ρ
−1
2
(l + h b − h )
ρ1
(h − hb )
⋅ g0 ⋅
⋅ g
0
⎤
⎡ ⎛ 2⋅l ⎞
ln 2
⋅ ⎢ln⎜
⎟ −1+
⎥
1 + (4 ln 2 ⋅ hb ) / l ⎦
⎣ ⎝ a ⎠
⎛
1 ⎞ Rs
F = 1 + ⎜⎜ N −
⎟⎟ ⋅
N ⎠ Rl
⎝
Factor F aproximado a
suelos de dos capas
l
⎛
⎞
F0 = F ⎜ l ′ →
⎟
1 − 0 .9 ⋅ K ⎠
⎝
Efecto de múltiples
reflexiones debido a
varias varillas
F0
N
F0 ρ1
+
⋅ φ0
N
h
Factor para mallas con
múltiples varilla
Relación de la resistencia
de la varilla y la resistencia
del área efectiva de la malla
⋅
Rs
=
Rl
φ=
3
3
l ′ ⎡⎛ 1 ⎞ ⎛ l ′ ⎞ ⎤
⋅ ⎢⎜ ⎟ + ⎜
⎟ ⎥
r ⎣⎢⎝ 2 ⎠ ⎝ l ′ + r / 2 ⎠ ⎦⎥
1/ 3
2 ⋅π ⋅ g0
1 ⎛
1 ⎞
⋅ ⎜ ln
⎟
2 ⋅π ⎝ 1 − K ⎠
2
2
⎛N
⎞ ⎛ l + hb ⎞
⎜⎜ − 1⎟⎟ ⋅ ⎜
⎟ +1
⎝ F0
⎠ ⎝ h ⎠
76
Para determinar la resistencia de la malla es necesario conocer ciertos parámetros que se
utilizan en las ecuaciones antes expuestas estos son los siguientes:
Tabla 5.5 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la resistencia de
la malla de aterrizamiento.
Nomenclatura
Rt
Ra
Rb
ρ1
ρ2
h
hb
F0
N
Φ
a
r
K
l
Parámetro
Resistencia total de la malla
Resistencia relacionada con la capa inferior
Resistencia relacionada con la capa superior
Resistividad de la capa superior
Resistividad de la capa inferior
Profundidad de la capa
Profundidad a la que se encuentra la malla
Multiplicador para múltiples varillas
Número de varillas
Factor debido a las reflexiones
Radio de la varilla
Radio del área efectiva de la malla
Factor de reflexión
Longitud de la varilla
5.5 Valores máximos permisibles
Una vez obtenido el valor de la resistencia de la malla de aterrizamiento y confirmando
que este valor sea adecuado al tipo de sistema considerando el tipo de cargas o la
alimentación presente, se debe analizar los valores máximos permisibles de tensiones
para garantizar que la malla proteja a las personas que se puedan encontrar en contacto
con superficies metálicas, la estructura del edificio o directamente con el sistema
eléctrico en el momento de falla.
Al diseñar la malla de aterrizamiento se debe cumplir que la tensión de la malla no sea
mayor a la tensión de toque permisible. Esta condición es obligatoria para sistemas de
media tensión pero también es recomendable en sistemas de baja tensión.
77
La tensión de toque es la diferencia de potencial entre una estructura metálica puesta a
tierra y un punto de la superficie del terreno a una distancia igual a la distancia máxima
horizontal que se puede alcanzar, aproximadamente un metro [7]. Está descrita por la
siguiente ecuación.
Vtoque = (116 + 0.174 ρ s ) / t
(5.3)
Tal como se deduce de la ecuación este valor depende de la resistividad superficial del
suelo en el que se instala la malla y del tiempo de duración de una falla.
La resistividad superficial depende del tipo de terreno, y puede variar desde valores
bajos para suelos orgánicos hasta valores altos en caso de suelos pedregosos, en la tabla
5.6 se presentan valores típicos de resistividad superficial.
Tabla 5.6 Valores medios de la resistividad del suelo [7]
Naturaleza del terreno Resistividad media (Ω-m)
Suelo orgánico, cultivable
50-200
Arcilloso, semiárido
200-750
Tipo
Bajo
Medio
El tiempo de duración de una falla depende del tipo de dispositivo de protección
utilizado en el circuito y de su periodo de interrupción de la falla, las protecciones
contra cortocircuito más típicamente utilizadas son los disyuntores termomagnéticos los
cuales despejan las fallas en periodos de 1 ciclo (0.01666s). Se recomienda utilizar un
valor de t un poco mayor a un ciclo para considerar otros tipos de protecciones, como lo
son las de tiempo diferido.
La tensión de malla depende de la resistividad del terreno, del tipo de configuración de
la malla y de la porción de corriente de falla que circula por la malla ante una situación
de cortocircuito. La ecuación que describe esta relación es la siguiente:
Vmalla =
ρ ⋅ IG ⋅ Km ⋅ Ki
LT
78
(5.4)
En la siguiente tabla se resumen las ecuaciones a utilizar para realizar el cálculo de
tensión de malla.
Tabla 5.7 Resumen de ecuaciones para calcular la tensión de malla.
Parámetro
Ecuación
Tensión de Malla
Factor geométrico
V malla =
Km =
1
2 ⋅π
ρ ⋅ IG ⋅ K m ⋅ Ki
LT
⎡ ⎛ D2
h
( D + 2 + h) 2
⋅ ⎢ ln ⎜⎜
+
−
8⋅D ⋅h
4⋅d
⎣ ⎝ 16 ⋅ h ⋅ d
Factor geométrico
K ii =
Factor geométrico
n=
Factor geométrico
1
( 2 ⋅ n) 2 / n
2 ⋅ LC
LP
Kh = 1+
Factor geométrico
⎞ K ii
⎛
⎞⎤
8
⎟⎟ +
⎟⎟ ⎥
⋅ ln ⎜⎜
⎝ π ( 2 ⋅ n − 1) ⎠ ⎦
⎠ Kk
h
h0
K i = 0.644 + 0.148 ⋅ n
Elevación de potencial
máxima
GPR = I G ⋅ R g
Corriente de malla máxima
que fluye entre la malla y
la tierra que la rodea
Corriente simétrica de
la malla
IG = I g ⋅ D f
Ig = I f ⋅S f
Para efectuar estos cálculos se requieren datos sobre la geometría de la malla, en la
siguiente tabla se incluye la nomenclatura utilizada.
79
Tabla 5.8 Nomenclatura utilizada en las ecuaciones de cálculo de la tensión de
malla.
Nomenclatura
Parámetro
D
Distancia entre electrodos de aterrizamiento
h
Profundidad de los electrodos de aterrizamiento
d
Diámetro del electrodo
ρ1
Resistividad de la capa superior
ρ2
Resistividad de la capa inferior
LP
Longitud de conductor en el perímetro de la malla
LC
Longitud total de conductor y varillas
h0
Profundidad a la que se encuentra la malla
Df
Factor de decremento*
Sf
Factor divisor de corriente*
* Se obtienen de curvas y gráficas presentes en la norma IEEE 80-2000
Finalmente debe verificarse que se cumpla con Vmalla ≤ Vtoque en caso contrario debe
modificarse la configuración de la malla de aterrizamiento hasta que se cumpla la
condición de máximo valor permisible.
Otro aspecto a considerar es que la elevación máxima de potencial no exceda los 5kV.
5.6 Recomendaciones al elegir la configuración de la malla de
aterrizamiento
Una malla de aterrizamiento posee tres principales objetivos:
•
Proveer seguridad a las personas en condiciones de falla.
•
Proveer al sistema una única referencia a todas las señales presentes.
•
Proveer seguridad a los equipos ante fallas, mediante el adecuado
funcionamiento de los dispositivos de protección.
80
Para cumplir de manera adecuada con estas funciones la malla de aterrizamiento debe
ser robusta, esto se logra teniendo en cuenta aspectos como los que se indican a
continuación:
•
La malla de aterrizamiento debe extenderse por toda el área donde se realizará la
edificación, para darle robustez al sistema y que este se comporte de manera
adecuada ante fallas y fluctuaciones temporales en el sistema.
•
Para mayor robustez debe poseer múltiples electrodos de aterrizamiento
interconectados entre sí, de esta manera se minimizan problemas de resonancia y
el sistema provee una referencia confiable a señales.
•
El electrodo o malla de conexión a tierra debe poseer una resistencia lo
suficientemente baja para garantizar la adecuada operación de los dispositivos de
protección ante un evento de falla, proporcionar la seguridad requerida a
personas que pueden estar cerca de conductores, electrodos o carcasas metálicas
y limitar transitorios de sobre tensiones.
•
Es más efectiva la aplicación de pocas varillas profundas que muchas varillas
cortas debido a que la resistividad del suelo disminuye al aumentar la
profundidad por el incremento de humedad. Para múltiples electrodos no se
recomiendan espaciamientos menores a 3 metros para evitar interferencias entre
varillas y gastos económicos innecesarios.
•
Para el caso en que la carga es equipo sensible electrónico se recomienda la
implementación de mallas rectangulares de múltiples varillas a tierra y no
electrodos individuales, con el objetivo de eliminar problemas de resonancia a
altas frecuencias debidas a la longitud del cable de tierra desde los equipos
electrónicos sensibles al punto de tierra del sistema.
81
•
La malla de aterrizamiento es de suma importancia para la correcta acción de los
dispositivos de protección contra cortocircuitos, además la robustez de la malla
reduce y hasta elimina el efecto de las sobretensiones o eventos de corta
duración que se puedan presentar en el sistema.
5.7 Consideraciones para minimizar problemas de calidad de energía
Los sistemas de aterrizamiento poseen un rol de suma importancia en cuanto a la
minimización de problemas de calidad de energía, por esto al diseñar un sistema de
aterrizamiento es recomendable realizar un análisis de éste de manera que se consideren
aspectos claves en el funcionamiento de los equipos para garantizar robustez en los
sistemas de aterrizamiento. Algunas de las principales sugerencias se indican a
continuación.
•
Se recomienda un único punto de conexión para evitar que corrientes parásitas o
circulantes afecten la operación de los equipos electrónicos, es necesario
mantener el sistema de aterrizamiento de dichos equipos aislado del sistema de
aterrizamiento de equipos del sistema de potencia, pero siempre conectados en
un único punto.
•
Los problemas de resonancia a altas frecuencias debidas a la longitud del cable
de tierra desde los equipos electrónicos sensibles al punto de tierra del sistema,
pueden eliminarse mediante una malla de tierra en el suelo de la sala donde se
encuentran los equipos sensibles.
•
Todos los equipos servidos de una determinada fuente eléctrica deben estar
conectados o unidos al punto de tierra de dicha fuente. El neutro de todas las
fuentes de alimentación debe estar aterrizado.
•
Debe existir un trayecto de retorno al neutro de la fuente conectado a todas las
carcasas metálicas del equipo servido. Si dicho trayecto es de baja impedancia,
82
cualquier falla será se suficiente magnitud para hacer operar rápidamente al
dispositivo de protección y desenergizar la unidad fallada.
•
No se recomienda la utilización de electrodos a tierra aislados para equipos
electrónicos sensibles ya que esto puede provocar la formación de caminos en
paralelo.
•
El método más recomendado al aterrizar sistemas electrónicos sensibles, es el
sistema de aterrizamiento en un único punto. Esto es aterrizar todos los equipos
electrónicos sensibles a un solo punto del sistema de aterrizamiento del sistema
completo.
•
Al diseñar el calibre de los conductores a tierra es de suma importancia cumplir
con lo estipulado en el capítulo 250 del NEC, deben ser de al menos el mismo
calibre que los conductores de fase y deben poseer color verde o amarillo con
verde para su fácil identificación, además debe existir una barra de tierras en
cada tablero del sistema, y la única unión del cable neutro del sistema y el cable
de tierra es en la acometida del sistema. Utilizando el calibre adecuado se logra
que la referencia mantenga baja impedancia aún a altas frecuencias.
Una malla de aterrizamiento robusta reduce y evita las posibles fluctuaciones en la
tensión que se puedan presentar, pero además de esto existen dispositivos utilizados
para suprimir pequeñas fluctuaciones en la tensión muy útiles en la eliminación de
problemas de calidad de energía.
En la tabla 5.9 se presenta el tipo de fluctuación en la tensión y el dispositivo a utilizar
para su supresión.
83
Tabla 5.9 Fenómeno electromagnético y dispositivo a utilizar para minimizar su
efecto
Fenómeno o tipo de perturbación
Transitorio
de tensión
Ruido
Dispositivos a utilizar
Transformador de aislamiento
Regulador de tensión
UPS
Motor generador
Supresores de transitorios
Transformador de aislamiento
Regulador de tensión
UPS
Motor generador
Notches
Regulador de tensión
UPS
Motor generador
Distosión en
la tensión
Motor generador
Caídas de tensión
de corta duración
(sags )
UPS
Picos de tensión
de corta duración
(swells )
Regulador de tensión
UPS
Motor generador
Subtensiones
Transformador de aislamiento
Regulador de tensión
UPS
Sobretensiones
Transformador de aislamiento
Regulador de tensión
UPS
Interrupciones
momentáneas
Sistema de potencia auxiliar
UPS
Interrupciones
de larga
duración
Generador auxiliar
Variaciones
en la
frecuencia
UPS
84
•
Los pararrayos deben proporcionar la trayectoria más corta a tierra y derivar el
exceso de voltaje rápidamente, debe ser del mismo calibre que la línea que
alimenta el transformador y aterrizado sólidamente, garantizándose un amplio
contacto con la tierra para disipar la descarga sin daños. Además debe
proyectarse como mínimo 25cm sobre el objeto a proteger.
•
Los dispositivos de protección de baja tensión son los supresores de transitorios.
Si las corrientes transitorias son de gran magnitud, es recomendable instalar a la
entrada del edificio un supresor de picos común en paralelo con la alimentación,
puede ser de fase a fase o de fase a neutro y un segundo supresor en el tablero de
la sección de computadoras para eliminar cualquier tensión residual del
supresor, estos pueden instalarse en los equipos o tableros de distribución.
•
Los reguladores de tensión suelen corregir las fluctuaciones en la tensión
debidas a variaciones en las cargas, después de un tiempo inherente del
regulador. La mayoría de las fluctuaciones de baja frecuencia, pueden ser
resueltas mediante la apropiada aplicación de reguladores de tensión.
•
Las UPS (Uninterruptible Power Supplies) proporcionan alimentación regulada
de salida, sin importar la condición de la alimentación de la fuente principal,
incluyendo pérdidas totales de tensión. Todo equipo electrónico sensible debe
conectarse a tomacorrientes de UPS.
•
Los transformadores de aislamiento atenúan perturbaciones de modo común en
los conductores de alimentación, proporcionan una tierra local de referencia y
pueden contener derivaciones que mejoren la caída de tensión en régimen
permanente. [7]
•
Un motor generador se utiliza para regulación de la tensión, atenuación de ruido,
picos y corrección de distorsión en la tensión. [7]
85
CAPÍTULO 6: Conclusiones
6.1 Conclusiones
•
La calidad energética en un sistema de potencia mejora notablemente cuando
este posee un sistema de aterrizamiento robusto.
•
Para que la malla de aterrizamiento sea robusta debe extenderse por toda el área
que ocupa la edificación y contar con la cantidad de varillas necesarias, para
cumplir con el valor de resistencia de la malla indicado por la normativa vigente.
•
Un sistema de aterrizamiento robusto es capaz de minimizar los efectos de las
oscilaciones de corta duración como lo son los parpadeos, picos y caídas de
tensión de corta duración, subtensiones, sobretensiones e interrupciones
momentáneas que puedan afectar el funcionamiento de los equipos conectados al
sistema eléctrico. Un diseño bajo estas consideraciones garantiza que el sistema
de aterrizamiento sea una referencia confiable a las señales del sistema, además
mantiene las tensiones y corrientes libres de fluctuaciones.
•
Un sistema de aterrizamiento robusto garantiza el adecuado funcionamiento de
los dispositivos de protección contra sobrecorrientes, resguardándose de esta
manera tanto los equipos como las personas.
•
En general el contenido de las normas de la A.R.E.S.E.P son muy pobres y
carecen de una guía que indique los pasos por seguir para diseñar sistemas de
aterrizamiento, esto tiene como resultados que las técnicas de diseño se basen en
conocimientos empíricos más que en el análisis de cada caso particular.
•
A nivel nacional existe muy poca información y estudios respecto con la calidad
de energía por lo que en general se diseña sin considerar los posibles efectos de
la de misma sobre los equipos y procesos. Por lo tanto al momento de
86
presentarse problemas de calidad de energía se hace necesario realizar cambios
al sistema que se traduce en gastos económicos.
•
La guía propuesta en este trabajo va dirigida a personal de la C.N.F.L que
poseen cierto conocimiento del tema y se encuentre en capacidad de realizar los
estudios de campo indicados, está basada en las normas existentes y se debe
modificar ciertos aspectos dependiendo del tipo de diseño que se desee hacer.
•
La guía no pretende dictar procedimientos al diseñar sistemas de puesta a tierra,
indica una serie de pasos para minimizar los problemas de calidad energética
•
La guía no pretende dictar procedimientos al diseñar sistemas de puesta a tierra,
simplemente indica una serie de pasos a seguir para minimizar los problemas de
calidad energética que se puedan presentar en el sistema.
6.2 Recomendaciones
•
Al diseñar un sistema de aterrizamiento en cualquier edificación se recomienda
considerar los posibles problemas de calidad energética que se puedan presentar
en el sistema de potencia y tomar las medidas necesarias para minimizarlos o
eliminarlos.
•
Es recomendable referirse a las normas internacionales de la IEEE y al NEC al
tomar decisiones de diseño, dado que en el país no existe una normativa o guía
técnica para diseñar sistemas de aterrizamiento.
•
Se recomienda analizar cada caso de manera específica, considerando el tipo de
cargas por alimentar; sin basar los diseños en conocimientos empíricos en
detrimento de la normativa existente.
87
•
Es de suma importancia que al desarrollar el Método de Wenner las mediciones
y cálculos sean lo más precisos posible para garantizar un alto grado de
exactitud en los resultados y en el diseño.
•
Es recomendable que la inversión inicial sea ligeramente más alta, pero que el
diseño del sistema sea robusto y presente niveles de calidad energética
adecuados evitando posibles inversiones a futuro mayores.
•
Se recomienda la implementación de mallas de puesta a tierra, y no electrodos
individuales en sistemas que alimenten equipos sensibles para darle mayor
robustez al sistema, garantizando una referencia confiable para las señales y un
funcionamiento adecuado de las protecciones para las personas y equipos.
•
La escasez de información y estudios realizados en el país es muy evidente en el
tema de calidad energética, por esto es recomendable que se estudien más a
fondo los problemas relacionados con estos fenómenos electromagnéticos vistos
tanto desde el punto de vista del usuario como de la empresa de distribución.
•
Se recomienda, crear normas más completas a nivel nacional. Además de
continuar con estudios semejantes al expuesto para otros tipos de sistemas
específicos a nivel residencial, industrial y comercial, para lograr que la guía de
C.N.F.L sea más completa.
•
Se recomienda al Departamento de Conservación de la Energía y Eficiencia
Energética de C.N.F.L realizar talleres educativos a sus clientes sobre la
importancia de implementar prácticas adecuadas de diseño de sistemas de
aterrizamiento para minimizar problemas de calidad de energía.
88
BIBLIOGRAFIA
Libros:
1. Dugan, R; McGranaghan, M; Santoso, S; Beaty, W. Electrical Power Systems
Quality, 2 Edición, McGraw Hill, Estados Unidos de América, 1996.
2. National Electrical Code (NEC) 2005
3. IEEE Std 1100-1992, Emerald Book, “Recommended Practice for Powering
and Grounding Sensitive Electronic Equipment”.
4. IEEE Std 142-1991.
5. IEEE Std 80-2000
6. Ramírez Castaño, S; Cano Plata, E. A. Calidad del servicio de energía
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7. Salazar Ramírez, J.A; Richmond Fonseca, H. Curso: Puestas a Tierra
Residenciales e Industriales, Guanacaste, Costa Rica, 2006.
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Transactions on Industry Applications, Estados Unidos de América, Vol [32],
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10. Chow, Y L; Elsherblny, M M; Salama, M M A. “Resistence Formulas of
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11. Clemmensen, J. M, “Power Quality Site Survey Instrumentation and
Mesuaremente Techniques”, IEEE, Estados Unidos de América, 1990.
89
12. Burleson, J. “Wiring and Grounding to Prevent Power Quality Problems with
Industrial Equipment”, IEEE.
Páginas web:
13. Power Quality Partnership, “Power Quality and Utilization Guide”,
www.cda.org.uk/pqp/pqag.htm
14. Power Quality Problem Guide, “Power Quality & Power Problem
Definitions”, http://www.ustpower.com/Powr_Quality_Problems.htm
15. Pacific
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Electric
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16. Power
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17. Alliant
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“Correcting
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18. Martin, M. “Two Modern Power Quality Issues – Harmonics & Grounding”,
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20. User Manual, Digital Ground Resistance Tester, AEMC Instruments.
21. Marín, L. Tarea 2, Curso: Diseño de mallas de puesta a tierra, Escuela de
Ingeniería Eléctrica, Universidad de Costa Rica, 2006.
90
APÉNDICES
1. Código fuente del programa utilizado para graficar la carta maestra,
implementado por el Ingeniero Leonardo Marín.
T=0.01; ah=0.1:T:100; k=[-0.99 -0.9 -0.8 -0.7 -0.5 -0.3 0 0.3 0.5 0.7 0.8 0.9
0.99];lo=length(k);
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for n=1:100
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Q(:,n)=(k(i)^n).*((A.^(-0.5))-(B.^(-0.5)));
end
S(:,i)=sum(Q,2);
pap1(:,i)=1+4.*S(:,i);
end
loglog(ah,pap1)
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91