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Introducción
Este tutorial presenta los conceptos clave utilizados en el diseño de sistemas de puesta a tierra de subestaciones. Se analiza terminología importante, como la elevación del potencial de red, las tensiones de contacto y de paso y la distribución de la corriente.
Se explican los comportamientos de los sistemas de puesta a tierra durante un fallo.
Índice
1 Subida potencial de la red (GPR)
La figura 1(a) muestra un sistema de puesta a tierra sencillo que consta de conductores horizontales (también denominados conductores de "malla" o "rejilla") enterrados a 0,5 m por debajo de la superficie de la tierra y conductores verticales de 3 m de longitud (también denominados "picas de tierra") que están conectados a la rejilla formada por los conductores horizontales. La rejilla horizontal es cuadrada y está subdividida en 4 mallas cuadradas.
La figura 1(b) muestra las tensiones superficiales que se producen en la superficie de la tierra cuando se activa el sistema de puesta a tierra durante un fallo.
Cuando la corriente eléctrica se inyecta en la tierra a través de un sistema de puesta a tierra, la corriente se encuentra con una resistencia que depende directamente de la resistividad del suelo. Debido a la corriente que fluye a través de esta resistencia, aumenta el potencial eléctrico del sistema de puesta a tierra y de todas las estructuras metálicas conectadas a él. El potencial eléctrico máximo que puede alcanzar la red de tierra de una subestación en relación con un punto de puesta a tierra distante que se supone que está al potencial de la tierra remota (0 voltios) se denomina elevación del potencial de la red (GPR) [1].
El GPR es directamente proporcional a la magnitud de la corriente inyectada en el suelo por el sistema de puesta a tierra. Para una corriente de inyección dada, el GPR es directamente proporcional a la resistividad del suelo. Por lo tanto, a la hora de diseñar un sistema de puesta a tierra es muy importante disponer de mediciones fiables de la resistividad del suelo y realizarlas en el emplazamiento de la subestación para determinar las propiedades del suelo. Esto es necesario para modelizar con precisión el rendimiento del sistema de puesta a tierra.
Para una corriente de defecto dada, el GPR es aproximadamente inversamente proporcional a la superficie de la red. Obsérvese que la forma y la profundidad de enterramiento de la rejilla también afectan en cierta medida al GPR.
El GPR de la red mostrada en la figura 1 es de 2220 V y la tensión superficial máxima, que siempre es inferior al GPR, es de 2060 V.
Figura 1 - Ejemplo de gráfico de tensiones del sistema y de superficie
2 Tensiones táctiles y de paso
La figura 1 muestra que los potenciales de la superficie de la tierra son inferiores al GPR y muy variables. En los puntos situados directamente encima de un conductor de red, los potenciales de la superficie de la tierra son los más próximos al GPR; por otra parte, en el centro de las mallas de red se producen huecos de potencial y la diferencia entre el GPR y el potencial de la superficie de la tierra es máxima en estos puntos centrales. Esto significa que una persona que se sitúe en el centro de una malla y entre en contacto con cualquier estructura metálica que esté conectada al sistema de puesta a tierra, estará sometida a una alta tensión de contacto.
Obsérvese que la "tensión de contacto" es la diferencia de potencial eléctrico entre el sistema de puesta a tierra y cualquier punto de la superficie de tierra en el que una persona pueda estar en contacto con una estructura metálica energizada (se supone que está al mismo potencial que el sistema de puesta a tierra) [1].
El gráfico de la Figura 2 (a) muestra las tensiones de contacto en el interior y hasta 1 metro de distancia de la rejilla. Las tensiones de contacto máximas suelen darse en las esquinas de una rejilla porque las corrientes de fuga más elevadas se dan en los conductores perimetrales (obtener un gráfico de corrientes de fuga es una forma de demostrarlo).
Como muestran la Figura 1 y la Figura 2 (b), el pronunciado gradiente de potencial fuera del perímetro del sistema de puesta a tierra podría dar lugar a la aparición de una diferencia de potencial significativa entre dos puntos de la superficie de tierra en los que se sitúan los pies de una persona. Por lo general, se supone que la zancada de una persona no supera 1 m, por lo que la "tensión de paso" se define como la diferencia de potencial entre dos puntos de la superficie de tierra separados por 1 m.
Los niveles de tensión de paso suelen ser mucho más bajos que las tensiones de contacto. Por lo tanto, si se pueden conseguir tensiones de contacto seguras para un diseño, las tensiones de paso no deberían ser un problema.
Figura 2 - Gráficos de tensiones de contacto y de paso en dos dimensiones
Las tensiones de contacto y de paso son, al igual que el GPR, directamente proporcionales a la corriente inyectada en la tierra. Además, para una corriente de inyección dada y un conjunto determinado de proporciones de red, las tensiones de contacto y de paso son directamente proporcionales a la resistividad eléctrica de la tierra.
Para evaluar el rendimiento de un sistema de puesta a tierra, el GPR y las tensiones de contacto y de paso que se producen durante las condiciones de fallo se comparan con los valores máximos aceptables, que también se conocen como límites de tensión máxima admisible o tolerable. Estos límites seguros se obtienen según los métodos de las normas IEC e IEEE [1], [2].
Consulte la página que explica cómo calcular los límites de tensión de contacto y de paso.
Los límites de seguridad se comparan con las tensiones reales de contacto y de paso para determinar si el diseño es seguro. Hay dos enfoques principales para lograr un diseño seguro:
- Reducir (o mostrar) las tensiones reales de contacto y de paso que aparecen en cualquier punto dentro de la subestación y alrededor de su perímetro están por debajo de los límites de seguridad.
Aumentar los límites permitidos añadiendo una capa superficial adicional de roca triturada o asfalto a la superficie dentro y fuera de la subestación.
3 Distribución de la corriente de defecto
Cuando se produce una energización accidental o "falta a tierra" cerca de una subestación, fluyen grandes cantidades de corriente desde el conductor de fase averiado y vuelven a la fuente de alimentación a través de todas las vías conductoras disponibles (véase la figura 3).
La figura 3 muestra el flujo de corrientes de defecto para dos subestaciones conectadas a través de una línea aérea de transporte si se produce un defecto cerca de la subestación A. Las flechas indican la dirección del flujo de la corriente de defecto. A continuación se muestra un tutorial en vídeo que explica la distribución de la corriente de falta con ejemplos prácticos.
Durante una avería, una parte de la corriente de avería total vuelve a la fuente de alimentación (corriente de avería) por los siguientes caminos:
- Cables de tierra: una parte de la corriente de defecto circula desde el lugar de la avería hasta la fuente de alimentación totalmente a través de los cables de tierra (si existen). Otra parte de la corriente de defecto circula a lo largo de los cables de tierra y se inyecta en la tierra a través de diversas vías, como las tierras de las torres de transmisión o los sistemas de puesta a tierra de subestaciones distintas de la más cercana al defecto.
- Sistema de puesta a tierra de la subestación: otra parte de la corriente de defecto es inyectada a tierra por el sistema de puesta a tierra de la subestación cerca de la cual se produce el defecto. Desde allí, fluye a través de la tierra hasta el sistema de puesta a tierra de la fuente de alimentación y, a continuación, a través del sistema de puesta a tierra de la fuente de alimentación, hasta el generador o transformador que suministra la corriente de defecto.
- Sistema de puesta a tierra auxiliar: si la subestación dispone de un sistema de puesta a tierra adicional al del emplazamiento de la subestación, una parte de la corriente de defecto se desviará a este sistema de puesta a tierra adicional. Obsérvese que la armadura de la solera de hormigón de refuerzo de un edificio puede considerarse un sistema auxiliar de puesta a tierra, al igual que una tierra remota.
La parte de la corriente de defecto inyectada en el sistema de puesta a tierra de la subestación suele denominarse Corriente de Red, que provocará un aumento de potencial en el sistema de puesta a tierra.
La cantidad de corriente de defecto que circulará por cada vía depende directamente de sus impedancias relativas. Por ejemplo, si los cables de tierra son de baja impedancia y no se extienden a gran distancia entre la subestación averiada y la fuente de energía, tenderán a conducir una mayor proporción de la corriente de defecto que si son largos y de alta impedancia. Del mismo modo, si el sistema de puesta a tierra de la subestación tiene una impedancia muy baja, conducirá una proporción mucho mayor de la corriente de defecto que si tiene una impedancia alta.
En la mayoría de los casos, la corriente de la red es mucho menor que la corriente de defecto total que proporciona la fuente. Por lo tanto, merece la pena analizar la distribución de la corriente de defecto durante la fase de diseño, aunque se necesita información adicional sobre las vías conductoras.
4 Diseño para reducir el GPR
Un sistema de puesta a tierra debe diseñarse de forma que el GPR no supere los 5000 V, principalmente para proteger los equipos [3].
Para reducir el GPR es necesario reducir la resistencia de la rejilla, lo que se consigue de forma más eficaz aumentando el tamaño de la rejilla (la superficie cubierta por ella) o añadiendo varillas que se introducen en capas inferiores del suelo de baja resistividad. El GPR puede reducirse en menor medida añadiendo conductores en el interior de la rejilla.
La tabla 1 muestra los resultados calculados con el software de puesta a tierra SafeGrid para cuatro sistemas de puesta a tierra sencillos. Estos sistemas de puesta a tierra consisten en una malla cuadrada de 20 m × 20 m enterrada a 0,5 m de profundidad, con varillas (3 m de longitud) añadidas. Las corrientes de defecto inyectadas en las puestas a tierra y las secciones de los conductores son de 1000 A y 70 mm2 respectivamente. Se supone un modelo de suelo uniforme de resistividad 100 Ω.m.
Partiendo del caso 1 y añadiendo 2 conductores adicionales de 20 m de longitud de malla instalados en forma de cruz, el GPR disminuye un 6,37 %. Si se añaden otros 6 conductores de 20 m de longitud para formar la malla del Caso 3 con un total de 25 mallas, el GPR disminuye un 14,1 %.
Añadir conductores internos a una red es menos eficaz que aumentar su tamaño. El caso 4 muestra que aumentando solo el tamaño de 20 m a 25 m, el GPR disminuye un 16,78 %.
Tenga en cuenta que la reducción de la resistencia de red aumentará la corriente de red, lo que dará lugar a una reducción menor del GPR obtenido suponiendo que no haya variación de corriente.
5 Diseño para reducir las tensiones de contacto y de paso
Un sistema de puesta a tierra debe estar diseñado para que las tensiones de contacto en cualquier punto del perímetro de la subestación, durante una falta, no sean peligrosas. Dado que las tensiones de contacto son la diferencia de potencial entre un punto de la superficie terrestre y el sistema de puesta a tierra de la subestación, la situación ideal es que el potencial de la superficie terrestre esté próximo al GPR de la subestación.
En la Figura 4 (a) y (b) se muestran, respectivamente, los gráficos de tensiones superficiales y tensiones de contacto para una cuadrícula de 4 mallas. Los 4 valles del gráfico de tensiones superficiales corresponden a los centros de las 4 mallas y son los puntos en los que existen los mayores potenciales de contacto. La tensión de contacto máxima de esta malla es de 642 V.
Figura 4 - Gráficos de tensión superficial y táctil para una rejilla de 4 mallas
La figura 5 muestra los gráficos de tensiones superficiales y tensiones de contacto para la misma rejilla pero con 25 mallas. El aumento del número de mallas hace que los valles sean mucho menos profundos. Por tanto, las tensiones de contacto máximas son mucho menores. La tensión de contacto máxima de esta rejilla es de 391 V.
Figura 5 - Gráficos de tensión superficial y táctil para una rejilla de 25 mallas
Llega un momento en que la mejora obtenida añadiendo conductores de red se vuelve insignificante; en la figura 5, ya se ve que no se obtendrá mucha mejora haciendo los valles menos profundos, puesto que el potencial de contacto ya es casi uniforme en toda la zona de la red. En este caso, si se sigue necesitando una mejora, habrá que reducir el propio GPR, por ejemplo, aumentando el tamaño del sistema de puesta a tierra.
Las tensiones de paso dentro del área de la subestación no suelen ser un problema si las tensiones de contacto están dentro de los límites de seguridad. No sólo las tensiones de paso en el área de la subestación son menores que las tensiones de contacto, sino que los seres humanos también toleran tensiones de paso más altas que las tensiones de contacto.
Por lo general, las tensiones de paso sólo son un problema en el perímetro de la subestación, donde suele existir un gradiente de potencial en la superficie de la tierra. Por regla general, la inclinación del gradiente de potencial es inversamente proporcional al tamaño del sistema de puesta a tierra, por lo que los potenciales de paso son más problemáticos en los sistemas de puesta a tierra pequeños que en los grandes. Aumentar el tamaño del sistema de puesta a tierra es un medio eficaz de reducir las tensiones de paso.
A pesar de que las tensiones de contacto en el interior de la red se han reducido, las tensiones de contacto en el borde de la subestación siguen siendo muy elevadas. Para proteger al personal y los equipos fuera de la subestación, se puede añadir un anillo de nivelación enterrado (denominado "conductores perimetrales" en la norma IEEE 80) 1 m más allá de la red de tierra principal de 20 × 20 m para reducir las tensiones de contacto.
La figura 6 muestra las tensiones de contacto y de paso sin anillo graduado. La tensión de contacto máxima es de 767 V. Las tensiones de paso a lo largo del perímetro de la subestación tampoco son aceptables.
Figura 6 - Gráfico 2D de tensiones de contacto y de paso sin anillo graduado
La figura 7 muestra las tensiones de contacto y de paso con el anillo de nivelación enterrado a la misma profundidad que la red principal. La instalación del anillo de nivelación hace que las tensiones de contacto y de paso se reduzcan significativamente. La tensión de contacto máxima disminuye a 425 V y las tensiones de paso a lo largo del perímetro de la subestación también se reducen a unos 50 V, en comparación con 200 V sin anillo de nivelación.
Figura 7 Gráfico 2D de tensiones táctiles con anillo graduado
6 Efectos de la estructura de resistividad del suelo en las tensiones
En una subestación real, la estructura de resistividad del suelo no suele ser uniforme. Para la mayoría de los emplazamientos, un modelo de suelo multicapa es más realista y preciso para evaluar el rendimiento eléctrico de los sistemas de puesta a tierra.
En esta sección examinamos los efectos sobre las tensiones superficiales de las diferencias en las resistividades de las capas superior e inferior para un suelo simple de dos capas. La mayoría de las estructuras de suelo requieren un modelo de entre 3 y 5 capas.
Los modelos típicos de suelo bicapa son:
- Modelo alto-bajo (la resistividad de la capa superior es mayor que la de la capa inferior)
- Modelo bajo-sobre-alto (la resistividad de la capa inferior es mayor que la de la capa superior)
Para demostrar los diferentes efectos de los suelos alto-sobre-bajo y bajo-sobre-alto en las tensiones de contacto y de paso, se utiliza una simple red de puesta a tierra de 20 m × 20 m sin varillas.
La figura 8 muestra las tensiones superficiales con un modelo de suelo alto sobre bajo en el que la resistividad del suelo de la capa superior es de 500 Ω.m con una profundidad de 1,5 m y la resistividad del suelo de la capa inferior es de 50 Ω.m. La tensión superficial máxima es de 3595 V. Para un modelo de alta sobre baja la corriente de defecto que entra en la capa superior de alta resistividad quiere escapar a la capa inferior de baja resistividad
Figura 8 - Gráficos de tensiones superficiales del modelo de suelo alto sobre suelo bajo
La figura 9 muestra las tensiones superficiales con el modelo de suelo bajo sobre alto en el que la resistividad de la capa superior del suelo es de 50 Ω.m con una profundidad de 1,5 m y la resistividad de la capa inferior del suelo es de 500 Ω.m. La mayor resistividad de la capa inferior del suelo impide que la corriente fluya hacia las capas profundas del suelo, lo que provoca un aumento de las tensiones superficiales. La tensión superficial máxima del modelo de suelo bajo sobre alto alcanza los 5525 V.
Figura 9 - Gráficos de tensiones superficiales del modelo suelo bajo-sobre-alto
La resistividad de la capa inferior será la que más influya en la resistencia de la red y en el aumento del potencial de la red en comparación con la capa superior (debido a sus grosores relativos: el grosor de la capa inferior se extiende hasta una profundidad infinita). Por lo tanto, una capa inferior de baja resistividad tendrá como resultado una baja resistencia general de la rejilla y GPR - esta es la ventaja. Sin embargo, si el modelo de resistividad del suelo es alto sobre bajo, entonces las tensiones de contacto pueden ser mucho mayores que para bajo sobre alto debido a las variaciones pronunciadas en el perfil de tensiones de superficie.
7 Utilizar varillas para mejorar la seguridad
Ⅰ. Varillas separadas con consideración del efecto de proximidad.
Las varillas instaladas en el sistema de puesta a tierra pueden mejorar el rendimiento, pero deben estar separadas por una distancia adecuada para ser eficaces.
Como muestra la Figura 10, el campo de un segmento influirá en los segmentos adyacentes y viceversa - reduciendo su capacidad de disipar la corriente de defecto, lo que se denomina efecto de proximidad. El apiñamiento de varias barras verticales no es tan beneficioso en términos de $/Ω como el que se consigue con menos barras espaciadas adecuadamente.
Para ilustrar este fenómeno se construye una rejilla sencilla, como la de la figura 11, con 4 varillas de 5 m en cada esquina. Las barras están separadas 1, 2, 3, 4, 5, 7,5, 10 y 20 m. Los conductores (horizontales) de la rejilla están aislados para garantizar que los resultados sólo se vean afectados por la separación de las barras.
La figura 12 muestra la impedancia de la red con la variación de la separación de las varillas. Obsérvese que la resistencia global se reduce significativamente separando hasta la longitud de las varillas. Por lo tanto, se puede concluir que es necesario separar las varillas a una separación superior a una longitud de varilla.
Por lo tanto, en general, para que las barras sean eficaces deben estar espaciadas al menos por su longitud. Por ejemplo, las barras de 5 m de longitud deben espaciarse al menos 5 m.
Ⅱ. Utilización eficaz de las varillas en función de las características del suelo
El uso de varillas para reducir las tensiones puede ser menos eficaz en algunos casos.
La tabla 2 muestra la impedancia de red de los sistemas de puesta a tierra con y sin varillas para diferentes modelos de suelo. La instalación de las varillas reduce la impedancia de red, especialmente para el modelo de suelo alto-bajo.
La impedancia de la red se reduce en un 86,14% tras añadir las varillas en el modelo de suelo alto sobre bajo, mientras que el uso de varillas en el modelo de suelo bajo sobre alto no es muy eficaz (se reduce en un 24,53%), ya que las corrientes permanecen en la capa superior del suelo. Este problema puede resolverse instalando contrapesos (conductores horizontales que se extienden hacia fuera de la rejilla, normalmente en las esquinas) para el modelo de suelo bajo sobre alto, ya que aumenta la superficie cubierta por la rejilla de puesta a tierra. Aumentar el área cubierta por la red de tierra siempre mejorará el rendimiento.
Referencias
[1] "Guía IEEE para la seguridad en la puesta a tierra de subestaciones de CA", IEEE Std 80-2013.
[2] "Efectos de la corriente en los seres humanos y el ganado - Aspectos generales". IEC 60479-1:2018.
[3] "Límite máximo de elevación de potencial de tierra admisible del sistema de puesta a tierra de subestaciones". IEEE Transactions on Industrial Applications (volumen 51, número 6, 2015).
