Taller de ETAP Módulo de Malla de Tierra Por: Ing. Lisbeth Barnique Ing. Daniel Serres AGENDA 1.- INTRODUCCIÓN 2.- NECESIDAD DE LA MALLA DE TIERRA 3.- PROCEDIMIENTO PARA ESTUDIO DE MALLA DE TIERRA 4.- MODELACIÓN DEL ESTUDIO EN ETAP: NORMAS FEM/IEEE 6.- RESULTADOS. 7.- EJEMPLOS PRÁCTICOS. 8.- TIPS DE AYUDA Necesidad de la Malla de Tierra • Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para drenar las corrientes de tierra, ya sean debidas a una falla de aislamiento o a la operación de un descargador de sobretensión. • Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra, puedan producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestación, que puedan ser peligrosas para el personal. Necesidad de la Malla de Tierra (Cont.) • Facilitar mediante sistemas de protecciones la eliminación de las fallas a tierra en los sistemas eléctricos. • Dar mayor confiabilidad y continuidad al servicio eléctrico. PROCEDIMIENTO Diseño de sistemas de puesta a tierra Revisión 0 08/09/2005 Ingeniero de Proyectos Inicio Recopilación de datos de campo Obtener o actualizar plano de disposición de equipos y niveles de cortocircuito Definir tipo de puesta a tierra de los neutros del sistema Seleccionar la impedancia de puesta a tierra de neutros No Definir puesta a tierra de equipos y estructuras Definir puesta a tierra de equipos electrónicos, instrumentos y computadoras Definir puesta a tierra de canalizaciones y envolturas de cables Definir puesta a tierra contra sobretensiones transitorias de origen interno y externo Seleccionar sistema de referencia de voltaje ¿Solidamente puesto a tierra? Si Definir puesta a tierra de encerramientos metálicos Seleccionar caminos de retorno Seleccionar conductor de puesta a tierra de neutros Seleccionar método de puesta a tierra Seleccionar ruta del conductor de puesta a tierra de neutros Definir conexión de las encerramientos metálicos a tierra Seleccionar aislamiento y protección del conductor de puesta a tierra de neutros Definir puesta a tierra de la pantalla de cables Revisar disposición de los conductores de retorno INGENIERÍA ¿Se garantiza que las protecciones actuen? No Si Seleccionar puntos donde sea necesario el uso de jabalinas u otros electrodos Verificar criterios en cuanto a la profundidad y espesor de los conductores y jabalinas Calculo aproximado del factor de división de la corriente de falla Abrir el modelo digital del sistema eléctrico en ETAP Crear nueva presentación de malla de tierra Estudiar impacto de la planta en el suelo Definir el aislamiento de los conductores de la malla de tierra Si Planta Industrial Subestación Seleccionar Método IEEE ¿Subestación o Planta Industrial? ¿El suelo es muy corrosivo? Desarrollar el diseño en ETAP (IEEE) No Seleccionar Método de Elemento Finito (FEM) ¿Tensión de paso y toque en límites permisibles? Desarrollar el diseño en ETAP (FEM) Si Ejecutar la misma configuración de malla con el método FEM para obtener perfil de tensiones Obtener perfil de tensiones Definir tipo de unión jabalina-conductor de malla, derivación a malla, etc. Aplicar lista de verificación Fin No MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP Puntero Conductor Jabalina Forma Rectangular Forma T Puntero Forma Rectangular Forma T Forma L Forma Triangular Forma L Forma Triangular Nota: Se pueden representar todas las formas si se selecciona IEEE 80-2000. Para IEEE 80-1986 e IEEE 665-1995 sólo la Forma Rectangular. MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP FEM IEEE Ejecutar Cálculo Ejecutar Cálculo Optimizar Cond. Optimizar Cond. y Jabalinas Alerta Alerta Gráficos Reportes Reportes MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP Entrada de Datos - Conductores y Jabalinas MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP Entrada de Datos Entrada de Datos - Conductores y Jabalinas Conductores y Jabalinas (IEEE) MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP Entrada de Datos - Conductores y Jabalinas (FEM) MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP Entrada de Datos - Terreno MODELACION DE LA MALLA DE TIERRA EN ETAP GRD Study Case Editor METODOLOGÍA • Finite Element Method. • ANSI/IEEE Std 80-1986. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. • ANSI/IEEE Std 80-2000. IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding. • ANSI/IEEE Std 665 -1995. IEEE Guide for Generating Station Grounding. METODOLOGÍA (cont.) FEM: Es basado en el método de imágenes y asume que el sistema de tierra es una estructura equipotencial. Da resultados exactos para redes de tierra pequeñas (50 x 50 metros) y medianas (250 * 250 metros) tanto para terrenos uniformes como para biestratificados. Maneja configuraciones tanto regulares como irregulares de cualquier tipo de forma. IEEE: Es un método opcional, se puede utilizar para optimizar conductores y/o jabalinas. Sólo realiza los cálculos para el estrato donde se encuentra enterrada la malla. Sólo se puede añadir una forma bajo estudio. Tensiones de Toque (50 kg y 70 kg) Tensiones de Paso (50 kg y 70 kg) Factor de Ajuste de la Superficie (Cs) IEEE Std 80-2000 IEEE Std 80-1986 IEEE Std 665-1995 Factor de Ajuste de la Superficie (cont.) Donde: K ρ ρs Hs Factor de reflexión. Resistividad del terreno (ohm-m). Resistividad de la capa superficial (ohm-m). Grosor de la capa superficial (m). Duración de la de la Falla Donde: tf Duración en segundos de la corriente de falla para determinar el Factor de Decremento (Df). tc Duración en segundos de la corriente de falla para el Dimensionamiento de los Conductores de Tierra. ts Duración en segundos de la corriente de choque eléctrico para determinar los niveles permitidos por el cuerpo humano (Tensiones de Toque y Paso). Factor de Decremento (Df) Debido a que los cortocircuitos suceden en forma aleatoria con respecto a la onda de tensión y como el contacto puede existir en el momento en que se inicia la falla; se hace necesario suponer una onda de corriente de falla a tierra asimétrica desplazada 100% durante el tiempo del choque eléctrico. El factor de decremento toma en cuenta el efecto del desplazamiento de la corriente continua y la atenuación de las componentes transitorias de corriente alterna y de directa de la corriente de falla. Factor de Decremento (Cont.) Donde: Ta Constante de tiempo subtransitoria del sistema equivalente (seg). Ta = X/(wR) Dimensionamiento de los Conductores deTierra Donde: Akcmil I tc Kf Area del conductor (kcmil). Corriente de falla (kA rms). Duración de la corriente de falla (seg). Constante para diferentes materiales a diferentes temperaturas de fusión Tm y una temperatura ambiente de 40°C (ver Tabla 2). Dimensionamiento de los Conductores de Tierra (cont.) Corriente Máxima de la de la Malla Donde: IG Sf Cp Df 3Io Corriente Máxima de la Malla. Factor de División de Corriente (Current Division Factor). Factor de Seguridad por Crecimiento del Sistema (Corrective Projection Factor). Factor de Decremento (Decrement Factor). Valor rms de la Corriente de Falla a Tierra (Ground Short-Circuit Current). Ifg = 3Io Factor de División de Corriente (Sf) Este factor se refiere a la porción de la corriente de falla que fluye entre la malla de tierra y la tierra circundante. Sf depende de los siguientes parámetros: • El lugar de la falla. • La magnitud de la impedancia de la malla de tierra de la subestación. • Las tuberías enterradas y los cables en las cercanías de o directamente conectadas al sistema de puesta a tierra de la subestación. • Los cables de guarda, neutros u otras trayectorias de retorno a tierra. Factor de Seguridad por Crecimiento del Sistema (Cp) Resulta prudente tomar un margen adecuado para estimar los aumentos futuros de las corrientes de falla por aumento de la capacidad del sistema eléctrico o por interconexiones posteriores, pues las Modificaciones a la malla de tierra resultan costosas y generalmente se omiten dando motivo a introducir inseguridad en el sistema. Este efecto puede tomarse en cuenta disminuyendo la impedancia del sistema o aplicando un factor de seguridad al valor calculado de la corriente de falla. Resultados FEM IEEE Resultados (cont.) FEM Resultados (cont.) FEM y IEEE GPR (Ground Potential Rise) Máxima elevación de potencial en la malla de una subestación con respecto a un punto distante que se asume que está al potencial de tierra remoto. GPR = IG * Rg (V) Si “GPR > Etouch tolerable” se calculan las tensiones de malla y de paso en caso de falla; si “GPR < Etouch tolerable”, entonces el diseño ha concluido. Rg (Resistencia del Sistema de Tierra) Donde: LT A H Longitud total del conductor (m). Área de la malla de tierra (m2). Profundidad de enterramiento de la malla (m). Tips Normalmente tf, tc y ts se asumen iguales y deberán reflejar el tiempo máximo de despeje de la falla (incluyendo el respaldo). Los rangos más comunes están entre 0,25 seg. hasta 1 seg. Sf y Cp al fijarlos en 100% dan el diseño más conservador. Sf=100% significa que toda la intensidad de la corriente de falla va a la malla. Si se fija Cp=100% se deberá utilizar el nivel de cortocircuito máximo esperado (año horizonte,máxima expansión, etc.). Tips (cont.) Una malla de tierra típica para una subestación incluye conductores de cobre 4/0 enterrados entre 0,3 y 0,5 metros (12-18 pulgadas), separados de 3 a 7 metros. Las jabalinas penetrando el suelo de baja resistividad son hasta ahora más efectivas en disipar corrientes de falla siempre que el suelo sea de dos capas o múltiples capas. Las capas superiores del suelo tienen una resistividad mucho más alta que las capas inferiores. Tips (cont.) En transmisión usualmente Rg es menor o igual a 1 Ω. En distribución usualmente el rango aceptable es desde 1 Ω hasta 5 Ω. Entre más grande sea el área que ocupa la malla de tierra, más baja será Rg, y por lo tanto, el valor de GPR será menor. Tips (cont.) La grava o roca triturada colocada en la superficie ayuda tanto a evitar la evaporación del agua como reducir la magnitud de los choques eléctricos, dada su alta resistividad.
