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Resumen: Pruebas de rendimiento de la red de tierra
La comprobación del rendimiento del sistema de puesta a tierra desempeña un papel fundamental para garantizar el funcionamiento seguro de los sistemas eléctricos. El método de caída de potencial (FOP) es habitual para realizar pruebas de impedancia, especialmente en redes de puesta a tierra grandes y complejas. Aunque el método FOP es útil, tiene sus limitaciones y el uso de simulaciones de software puede mejorar mucho la forma en que los ingenieros abordan estas pruebas.
Mediante el uso de modelos de software, los ingenieros pueden determinar la mejor manera de configurar las pruebas de impedancia de red y predecir mejor cómo resultarán. Esto ayuda a validar importantes modelos de suelos y sistemas de puesta a tierra utilizados durante las fases de diseño. Este artículo técnico explica cómo las simulaciones de software hacen que las pruebas de impedancia de red sean más precisas, lo que ayuda a mejorar el diseño y el rendimiento del sistema eléctrico de puesta a tierra.
Para la modelización se ha utilizado el software de puesta a tierra ELEK SafeGrid.
Por qué medir la resistencia de la red de tierra
Aunque la impedancia medida de un sistema de puesta a tierra suele denominarse resistencia, existe un componente reactivo que puede ser de magnitud significativa en el caso de redes grandes o interconectadas.
Las razones importantes por las que medimos la impedancia del sistema de puesta a tierra incluyen [1]:
- Para verificar el rendimiento de un sistema de puesta a tierra recién instalado. Normalmente, el valor calculado determinado durante la fase de diseño se compara con el valor medido.
- Detectar cambios en un sistema de puesta a tierra existente. Una variación significativa de un valor medido entre periodos puede indicar un deterioro grave u otra situación preocupante.
- Determinar la elevación del potencial de red (GPR) para el diseño de la protección de los circuitos de potencia y comunicación.
Los principales métodos para medir la impedancia del sistema de puesta a tierra (en orden de complejidad de configuración y precisión) incluyen el método de dos puntos, el método de tres puntos y el método de cuatro puntos, comúnmente conocido como método de caída de potencial (FOP).
Es relativamente fácil medir la impedancia de sistemas de puesta a tierra pequeños en comparación con los grandes. El método FOP es el preferido para medir la impedancia de grandes sistemas de puesta a tierra. La principal ventaja del método FOP es que los electrodos de tensión y corriente pueden tener una resistencia considerablemente mayor que la de la red que se está comprobando sin que ello afecte significativamente a la precisión de la medición.
Explicación de la caída de Potential Test
Con el método de ensayo FOP, la resistencia de un sistema de puesta a tierra se mide utilizando un electrodo de tierra remoto. Se conecta una fuente de corriente alterna (CA) a la red que se está midiendo para medir la resistencia de la red, y el electrodo de tierra remoto hace que fluya una corriente a través del suelo. A continuación, se conecta un circuito de medición de la tensión a la toma de tierra principal y se utiliza un dispositivo sensible de medición de la tensión para medir la tensión de la superficie del suelo en puntos equidistantes a lo largo de una línea que parte de la toma de tierra hacia el electrodo remoto. La figura 1 muestra la configuración de prueba de una red de tierra utilizando el método FOP.
Las tensiones superficiales medidas se convierten en impedancia aparente del siguiente modo:
Resistencia aparente = (tensión en el punto de inyección de la red - tensión en el punto de superficie del electrodo de tensión) / corriente inyectada.
Para una posición determinada del electrodo de corriente, existe una distancia entre electrodos de tensión que da la impedancia de red verdadera del sistema de puesta a tierra que se está comprobando. Existe una posición teórica del 61,8 % de la distancia de separación entre la red de tierra medida y el electrodo de corriente, que es la posición correcta para medir la impedancia exacta para una resistividad uniforme del suelo (y otros numerosos supuestos).
La impedancia aparente se representa gráficamente en función de la distancia X entre el electrodo de tensión y la rejilla que se está midiendo (Figura 2). La forma de la curva de impedancia aparente entre la red que se está midiendo y el electrodo remoto debe aumentar bruscamente, aplanarse (aumentar lentamente) hacia el centro, lo que representa una zona en la que la interacción de los electrodos de prueba y de retorno es pequeña, y (para las pruebas de grado cero) volver a aumentar bruscamente acercándose al electrodo remoto.
Preguntas importantes sobre las pruebas de resistencia a tierra
¿A qué distancia de la red debe colocarse el electrodo de corriente?
Lo ideal es que el electrodo remoto esté situado a una distancia infinita del sistema de puesta a tierra en la que la densidad de corriente de la tierra se aproxime a cero. El electrodo remoto se sitúa a una distancia de al menos cinco (5) veces el diámetro máximo del sistema de puesta a tierra medido [1].
Si se colocan los electrodos de corriente y tensión aproximadamente 6,5 veces la extensión del sistema de puesta a tierra, se medirá el 95% de la impedancia de puesta a tierra. Si se amplía a 50 veces las dimensiones máximas del sistema de puesta a tierra, se obtendrá una precisión de medición prevista de sólo el 98,5% [2].
Una vez satisfechos los criterios para el electrodo de corriente, la ubicación del electrodo de tensión debe estar alejada de la influencia de la red sometida a prueba y del electrodo de corriente para medir con precisión la impedancia de puesta a tierra.
¿En qué dirección y a qué distancia debe colocarse el electrodo de tensión?
La impedancia de puesta a tierra puede estimarse desplazando el electrodo de tensión entre la red sometida a prueba y la ubicación del electrodo de corriente (prueba de 0°). Esta dirección suele ser la más conveniente, ya que los cables de corriente ya pasan por allí. Hay dos formas de estimar la impedancia medida:
- La impedancia se obtiene teóricamente a una distancia del electrodo de tensión, que es el 61,8 % de la distancia de separación entre el punto de inyección a la red de tierra medido y el electrodo de corriente remoto; o bien
- Si dos o tres mediciones consecutivas proporcionan un valor constante, entonces el electrodo de tensión está fuera de la influencia de los otros electrodos, y se supone que la medición representa el verdadero valor de impedancia (método de pendiente plana).
Estos métodos plantean graves problemas, entre ellos que a menudo se incumplen los supuestos de la regla del 61,8 % y que a menudo, en el caso de los suelos multicapa, no existe una pendiente plana.
Para las mediciones de tensión en la dirección opuesta (prueba de 180°) al electrodo de corriente, la línea discontinua mostrada en la figura 2 siempre se acercará a la línea continua desde abajo, y la distancia de separación requerida es mucho mayor, lo que puede suponer un problema (teóricamente, el 161,8 % de la distancia de separación entre la red y el electrodo de corriente; véase la derivación en el anexo C de [1]). Otro problema es que los resultados son más sensibles a la falta de uniformidad del suelo [1].
Se recomienda realizar las mediciones de tensión en ángulo recto (prueba de 90°) para probar sistemas de puesta a tierra de baja impedancia de 1 Ω o menos [1]. De este modo se evita la introducción de errores significativos en las mediciones causados por el acoplamiento mutuo de CA entre los cables de prueba de los electrodos de corriente y tensión. A menudo es imposible o poco práctico medir exactamente a 90° y esto introducirá errores en las tensiones medidas. Para un ángulo inferior a 90°, cualquier tensión producida en el conductor de tensión, debida al acoplamiento de la corriente que circula por el conductor de corriente, es aditiva a la tensión medida deseada. Con ángulos superiores a 90°, se produce el efecto contrario; la tensión acoplada mutuamente es negativa y da lugar a una reducción de la impedancia medida.
Dado que el acoplamiento mutuo es de menor magnitud, se prefieren las orientaciones de 90-180° y 180-270° a las de 0-90° y 270-360° [2].
¿Cuáles son las limitaciones de la prueba de resistencia de puesta a tierra?
Las limitaciones del método de prueba FOP incluyen:
- Una medición precisa de la impedancia aparente sólo es posible cuando los campos de densidad de corriente de la red producen una semiesfera con un centro eléctrico. Puede resultar muy difícil obtener un resultado en el caso de redes de gran tamaño o forma compleja o con caminos de retorno a tierra interconectados.
- La regla del 61,8 % no se aplica a los suelos no homogéneos (multicapa), y la parte plana de la curva de resistencia aparente puede situarse entre el 10 % y el 90 % a lo largo de la distancia.
En suelos no homogéneos, la posición adecuada de la sonda no puede determinarse mediante la simple observación de la forma de la curva de resistencia aparente. En su lugar, debe realizarse una simulación por ordenador del sistema de puesta a tierra y del circuito de prueba para predecir la posición adecuada de la sonda de tensión [3].
Modelización de software
La modelización informática de una prueba FOP para un sistema de puesta a tierra puede ser útil por las siguientes razones:
- Establecer la configuración óptima de la prueba, como determinar la separación mínima requerida entre los electrodos de corriente y el sistema principal de puesta a tierra, antes de la prueba.
- Comprobar la validez de los modelos de resistividad del suelo y del sistema de puesta a tierra utilizados durante la fase de diseño.
Para una comparación precisa entre las mediciones y los valores calculados, la prueba de impedancia de red debe realizarse sin la conexión de cables de tierra aéreos, o con otros sistemas de puesta a tierra que proporcionen vías alternativas de corriente de defecto. En el caso de los sistemas de puesta a tierra nuevos, esto ocurre justo después de la construcción.
La impedancia de una nueva red de tierra suele disminuir ligeramente a medida que la tierra alterada se asienta hasta alcanzar su compacidad natural, un año o más después de la construcción [1].
¿Cómo modelar una prueba de resistencia de la red de tierra?
Se modelizan la red estudiada y el electrodo remoto, y se simula una corriente unitaria que fluye entre ellos. La tensión de la superficie de tierra se mide a lo largo de una línea en la simulación, igual que en la prueba. El procedimiento completo paso a paso se explica en el tutorial Simular una prueba de caída de potencial [ref. 4].
Estudio de caso - Resistencia de la red de tierra de la subestación
La malla de tierra es de 60 por 30 metros con 28 varillas verticales apagadas, como se muestra en la figura 3. El modelo de tierra es de tres capas con una capa superior de 100 Ωm de 1 m de espesor, una capa intermedia de 200 Ωm de 1 m de espesor y una capa inferior de 300 Ωm de espesor infinito. Se añadió al modelo un electrodo de corriente remoto situado a una distancia cinco veces mayor que la diagonal máxima de la rejilla primaria. En este caso, la distancia diagonal de la rejilla es de aproximadamente 67 m; por lo tanto, el electrodo de corriente remoto está situado a x = 390 m.
Según la regla de la caída de potencial, se espera que la impedancia de red calculada se encuentre a una distancia del 61,8 % del punto de inyección de corriente. En nuestro caso, 222 m está a una distancia del 61,8 % del punto de inyección. Haciendo zoom en el gráfico táctil a 222 m, podemos ver que la impedancia aparente en ese punto es de 2,5 Ω, que se corresponde con la impedancia aparente de la red calculada en SafeGrid.
Un examen más detallado de la diferencia entre el 61,8 % teórico y el valor de impedancia SafeGrid calculado con precisión revela un pequeño error del 0,41 %.
Caso práctico - Efecto del acoplamiento entre los cables del voltímetro y del generador de corriente
En este caso práctico, consideramos una rejilla de 100 m por 100 m de 16 m enterrada en un suelo uniforme con un valor de resistividad bajo de 10 Ωm a una profundidad de 0,5 m. La impedancia exacta de la rejilla a 80 Hz desde una varilla de 0,5 m que conecta el centro de la rejilla con la superficie terrestre es de 0,052 Ω (ángulo de 6,07 grados). La distancia del electrodo de corriente de retorno FOP desde el punto de inyección de la red en el suelo es de 1000 m, que es más de 5 veces la diagonal de la red. También consideramos cables aislados para el generador de corriente y el voltímetro utilizados en las pruebas FOP de grado cero. Suponemos que las ubicaciones del voltímetro y del generador de corriente, así como sus cables, están a 1 m de distancia. La separación entre los terminales de entrada del voltímetro es de 1 cm, y lo mismo ocurre con la separación entre los terminales de salida de corriente del generador. El siguiente diagrama muestra la resistividad aparente de las pruebas FOP de grado cero en función de la distancia X entre los electrodos de tensión. Sin cables, observamos que la curva presenta una amplia zona plana en la que la impedancia aparente FOP está muy próxima a la impedancia real de la red. Cuando los cables están presentes, los valores resultantes de la magnitud y el ángulo de la impedancia FOP están muy alejados del valor real de la impedancia de la red.
El gran error se debe a los largos cables conductores para la inyección de corriente y el voltímetro, que sólo están separados por 1 m de distancia. Si se aumenta la separación entre los cables, el error se reduce en cierta medida en las pruebas FOP de grado cero [6]. Una forma eficaz de mitigar el efecto de los cables es aplicar métodos FOP alternativos, como el FOP de 90 grados. La siguiente figura muestra los resultados asociados a las pruebas de 90 grados en la misma rejilla, la misma separación entre bucles de corriente y la misma frecuencia que antes, con y sin los cables. También aplicamos los mismos valores de distancia entre sondas de tensión que antes, pero en dirección perpendicular. En la prueba de 90 grados sin los cables, observamos que la impedancia aparente se aproxima a la impedancia exacta de la rejilla tanto en magnitud como en ángulos cuando la distancia de la sonda de tensión desde el punto de inyección de la rejilla es aproximadamente la mitad de la separación del bucle de corriente o más. Nuestros exámenes indican que esta distancia mínima se reduce con el aumento de la frecuencia (resultados no mostrados aquí). Los resultados obtenidos con los cables para la magnitud de impedancia aparente indican diferencias menores en comparación con los obtenidos sin cables. Las diferencias en los ángulos de impedancia debidas al efecto de los cables son mayores que las de la magnitud, pero en comparación con el FOP de grado cero, son mucho menores y siguen tendencias similares. Esta mejora en comparación con el FOP de grado cero se debe al hecho de que los cables de tensión siguen una trayectoria que se aleja de los cables de corriente a medida que aumenta la distancia de la sonda de tensión.
Recomendaciones para las pruebas de resistencia de puesta a tierra
El método de caída de potencial (FOP) es común para realizar pruebas de impedancia, especialmente para redes de puesta a tierra grandes y complejas. A continuación se ofrecen algunas sugerencias para la configuración de las pruebas:
- Extienda el electrodo de corriente al menos 5 veces las dimensiones diagonales de la rejilla.
- Para redes con impedancia de 1 Ω o inferior, realice las mediciones de tensión en ángulo recto (90°) con respecto al electrodo de corriente. Si no se puede lograr exactamente 90°, asegúrese de que esté entre 90° y 180°.
- Se producen grandes errores de medición cuando los cables de medición de tensión largos corren paralelos a los cables de inyección de corriente, especialmente en suelos de baja resistividad. Para evitarlo, se recomienda medir en un ángulo de 90°.
- La prueba de impedancia de la red debe realizarse sin la conexión de cables de tierra aéreos, o con otros sistemas de puesta a tierra que proporcionen vías alternativas de corriente de defecto.
- Modelar la caída de la posible configuración de la prueba utilizando software, antes de realizar las pruebas.
Para determinar con precisión la impedancia de la red de tierra, hacemos las siguientes recomendaciones:
- La prueba de caída de potencial no dará resultados precisos para rejillas muy grandes, complicadas o con formas extrañas.
- La regla del 61,8 % dará resultados razonables, incluso para suelos multicapa, a menos que el modelo de suelo sea bajo en alta resistividad.
- Modelizar la caída de los posibles resultados de las pruebas mediante programas informáticos para validar las mediciones in situ.
Referencias
[1] IEEE Std 81-2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System.
[2] IEEE Std 81.2-1991, IEEE Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding Systems (Guía IEEE para la medición de la impedancia y las características de seguridad de sistemas de puesta a tierra grandes, extendidos o interconectados).
[3] IEEE Std 80-2013, IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding.
[4] Simular una caída de potencial Test Tutorial, https://elek.com/tutorials/safegrid/how-to-simulate-a-fall-of-potential-test/
[5] Software de puesta a tierra ELEK SafeGrid, V8.0.
