subestaciones transformadoras

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL ESTE

FACULTAD POLITÉCNICA

INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROYECTO DE SUBESTACIONES TRANSFORMADORAS

Prof. Ing. Lucio Mereles

MALLA DE TIERRA

INTEGRANTES:

- Rodrigo López

- Aldo Recalde

- Javier Villalba

OCTAVO SEMESTRE

Ciudad del Este, Septiembre del 2013

Introducción:

Es bien sabido que la mayoría de los sistemas eléctricos necesitan ser aterrados y que esta práctica probablemente se inició en los primeros días de los experimentos eléctricos. La práctica ha continuado y se ha desarrollado progresivamente, de modo que tales conexiones a tierra se encuentran en casi todos los puntos en el sistema eléctrico. Esto incluye la estación generadora, las líneas y los cables que distribuyen la energía eléctrica y los locales en los cuales se utiliza.

Definición de Puesta a Tierra

Una conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por medio de la cual un circuito eléctrico o equipo se conecta a la tierra o a algún cuerpo conductor de dimensión relativamente grande que cumple la función de la tierra

Las razones que más frecuentemente se citan para tener un sistema aterrado, son:

• Proporcionar una impedancia suficientemente baja para facilitar la operación satisfactoria de las protecciones en condiciones de falla.

• Asegurar que seres vivos presentes en la cercanía de las subestaciones no queden expuestos a potenciales inseguros, en régimen permanente o en condiciones de falla.

• Mantener los voltajes del sistema dentro de límites razonables bajo condiciones de falla (tales como descarga atmosférica, ondas de maniobra o contacto inadvertido con sistemas de voltaje mayor), y asegurar que no se excedan los voltajes de ruptura dieléctrica de las aislaciones.

• Limitar el voltaje a tierra sobre materiales conductivos que circundan conductores o equipos eléctricos.









La segunda función de un sistema: de puesta a tierra es garantizar que, en el evento de una falla a tierra, toda corriente de falla que se origine, pueda retornar a la fuente de una forma controlada. Por una forma controlada se entiende que la trayectoria de retorno está predeterminada, de tal modo que no ocurra daño al equipo o lesión a las personas.

Sistemas puestos a tierra

Un sistema puesto a tierra tiene al menos un conductor o punto (usualmente el neutro o punto común de la estrella) intencionalmente conectado a tierra. La conexión a tierra reduce las fluctuaciones de voltaje y los desequilibrios que podrían ocurrir .

¿Para que se utiliza un sistema de puesta a tierra?

• Conducción y dispersión de la corriente del rayo a tierra • Conexión equipotencial entre los conductores bajantes del sistema de

protección contra rayos • Control del potencial en las subestaciones y en la cercanía de las edificaciones • Posibilita la protección contra el contacto indirecto

Para la disposición de una red de tierra existen 3 tipos de sistemas

Sistema Radial: consiste en uno o varios electrodos a los cuales se conectan las derivaciones de cada aparato. Es el sistema mas económico pero el menos satisfactorio, ya que al producirse una falla en un aparato se producen grandes gradientes de potencial.

Sistema en anillo: se obtiene colocando en forma de anillo un cable de cobre alrededor de la superficie ocupada por el equipo de la subestación y conectando derivaciones a cada aparato con un cable de menos sección. Es un sistema mas costoso y mas fiable que el sistema radial.

Sistema de red mallada: es el sistema mas usado y consiste en una malla formada por cable de cobre, generalmente conectada a través de electrodos a, partes mas profundas para buscar zonas de menor resistividad. Este sistema es mas eficaz que los anteriores y también mas caros.

Instalación de las líneas de tierra

Se instalara procurando que los conductores no hagan recorridos tortuosos o curvas de poco radio. Todas las conexiones a malla se harán mediante soldadura autógena, para evitar la desoldadura por el paso de corrientes de tierra o su deterioro debido a la corrosión.

La función del sistema de puesta a tierra es doble:

1- Proporcionar un camino de impedancia suficientemente baja, vía los conductores de tierra, de regreso a la fuente de energía, de tal modo que ante el evento de una falla a tierra de un conductor activo, fluya por una ruta predeterminada una corriente suficiente, que permita operar al dispositivo de protección del circuito

2- Limitar a un valor seguro la elevación de potencial en todas las estructuras metálicas a las cuales tienen normalmente acceso personas y animales, bajo condiciones normales y anormales del circuito. La conexión conjunta de todas las estructuras metálicas normalmente expuestas, previene la posibilidad de una diferencia de potencial peligrosa que surja entre contactos metálicos adyacentes ya sea bajo condiciones normales o anormales.

Conductores de Puesta a Tierra

Conductor de protección de circuito: Este es un conductor separado instalado con cada circuito y está presente para asegurar que parte o toda la corriente de falla regrese a la fuente a través de él. Puede ser un conductor individual, la cubierta metálica exterior de un cable o la estructura de un ducto metálico.

Conductores de conexión: Estos conductores aseguran que las partes conductivas expuestas (tales como carcasas metálicas) permanezcan aproximadamente al mismo potencial durante condiciones de falla eléctrica. Conductores de conexión equipotencial principales, que conectan entre sí y a tierra, partes conductivas expuestas que normalmente no llevan corriente, pero podrían hacerlo bajo una condición de falla.

Se establecen dos tipos de instalaciones de puesta a tierra:

Puesta a tierra de protección: en la que se instalaran las partes metálicas que no estén en tensión normalmente pero que puedan estarlo a consecuencia de averías, accidentes, descargas atmosféricas y sobretensiones.

Puesta a tierra de servicio: en la que se instalaran los neutros de los transformadores y los circuitos de baja tensión de los transformadores de medida.

Puesta a tierra de cercos: Generalmente, por razones de seguridad y economía, se usa un cerco metálico para cerrar la subestación.

Donde se use un cerco de metal desnudo, éste debe ser aterrado, para prever la situación en que un conductor vivo (digamos una línea aérea) llega a quedar en contacto con el cerco o para prevenir la elevación de voltaje del cerco debido al acoplamiento con conductores vivos cercanos.

Puesta a tierra independiente del cerco

Este es el arreglo más común, sin embargo no permite uso pleno del área disponible para instalar los electrodos.

Se requiere un corredor de 2 metros de ancho entre el cerco y el borde del sistema de puesta a tierra (es decir, el conductor perimetral). Los equipos expuestos están situados entonces normalmente 1 metro hacia adentro del electrodo perimetral. El cerco se pone a tierra instalando barras de 3 metros en cada esquina, a cada lado de donde cruzan los conductores de líneas áreas de alta tensión y aproximadamente cada 50 metros a lo largo de los lados. Cualquier electrodo enterrado que pase bajo el cerco debe aislarse por una distancia de 2 metros hacia cada lado.

Aspectos que se deben tener en cuenta para puesta a tierra de una subestación:

Características del terreno Determinación de las corrientes

máximas de puesta a tierra Tiempo de aislamiento de la falla Sección del conductor Calculo de la malla general de tierra

Valores admisibles de las tensiones de paso y contacto

Tensión de paso y contacto reales Tensión máxima aplicable al cuerpo

humano

El mayor potencial de paso en direcciones paralelas a los conductores de la malla de tierra ocurre a una distancia con relación al conductor mas externo de la malla igual a una profundidad h y suponiendo un paso de 1 metro de longitud.

El mayor potencial de toque ocurre entre un punto de una estructura aterrada situada al alcance de la mano de una persona y un punto en el suelo situado a un metro de distancia de la base de la estructura considerada, estando esta estructura situada a una distancia del conductor de la malla de tierra igual a la mitad de la distancia entre conductores.

Datos utilizados para el calculo:

hs – Espesor de la piedra triturada

a – Resistividad aparente del suelo

s – Resistividad de la piedra triturada t – Tiempo de duración de la falla h – Profundidad de la malla Icc – Corriente de corto circuito Sección del conductor Longitud de la jabalina

DETERMINACIÓN DE LA SECCIÓN MÍNIMA PARA EL CONDUCTOR DE LA MALLA DE TIERRA

La determinación de la sección transversal del conductor es obtenida utilizando la ecuación de Onderdönk:

1.

226 ln / 234

IccA

Tm Ta Ta

tdefecto

Siendo:

A = Sección transversal mínima para el conductor de la malla de tierra en mm2.

Temperatura máxima de la región(Ta)

Temperatura máxima admisible para conexiones soldadas(Tm)

tdefecto generalmente 0.2 seg

Separación ideal entre los conductores de la malla de tierra de la SE

Longitud real de la malla debe ser superior a la longitud exigida.

Los potenciales máximo de paso y de toque producidos dentro de la SE, por ocasión de fallas monobásicas deben ser inferiores respectivamente, a los potenciales de paso y de toque tolerables por los seres humanos.

CALCULO DE LOS VALORES MÁXIMOS DE TENSIÓN DE TOQUE Y PASO

0.116

1000 1.5V toque máximo Cs st

0.116

1000 6V paso máximo Cs st

DONDE:

K = Índice de aprovechamiento o reducción.

a sK

a s

Factor de corrección debida a la diferencia entre y a s

21

11 2

0.96 21

0.08

n

n

KCs

n hs

Donde n es el numero de jabalinas

Considerando

Los conductores estarán en inicio igualmente espaciados o sea ea eb

1a

Naea

(numero de conductores en la dirección de a)

1b

Nbeb

(numero de conductores en la dirección de b)

1

aea

Na

(nueva distancia entre conductores considerando Na )

1

beb

Nb

(nueva distancia entre conductores considerando Nb)

La longitud total del conductor será: Lt Na b Nb a

CALCULO DE LA RESISTENCIA DE LA MALLA

1 1 11

20 201

R malla aLt a b

ha b

Considerando la corriente de malla (Imalla

) 40% de la corriente de corto circuito (Icc)

0.4I malla Icc

Luego tenemos:

V toque máximo de la malla= R malla x I malla

R malla x I malla > V toque máximo

Para el caso en que no se cumpla esta condición se debe realizar un calculo mas preciso para el potencial de malla

CALCULO DEL POTENCIAL DE LA MALLA DURANTE EL DEFECTO

El mayor potencial de toque ocurre entre un punto de una estructura aterrada situada al alcance de la mano de una persona y un punto en el suelo situado a un metro de distancia de la base de la estructura considerada, estando esta estructura situada a una distancia del conductor de la malla de tierra igual a la mitad de la distancia entre conductores. El cálculo es como sigue:

N Na Nb La malla rectangular es transformada en una malla cuadrada con N

conductores paralelos en c/ lado

1Kii Para jabalinas clavadas a lo largo del perímetro o en los bordes de la malla o ambos

2

1

2 N

Kii

N

Para mallas sin jabalinas clavadas en la malla o con pocas jabalinas no

localizadas en los bordes o perímetros de malla

1h

Khho

Corrección de profundidad

d= diámetro del conductor de malla

ho = estandarizado a 1m

Para el cálculo de Km se utiliza el mayor valor entre ea y eb.

Km = Coeficiente de malla que condensa la influencia de la profundidad de la malla, diámetro del conductor y el espaciamiento entre conductores.

22 21 4 8ln ln

2 16 8 4 2 1

eb heb KiiKm

h d eb d d Kh N

0.656 0.172Ki N Ki= Coeficiente de irregularidad

a Km Ki I mallaV malla

Lt

V malla V toque máximo

Para el caso en que no vuelva a cumplir con la condición se debe alterar el proyecto de la malla de tierra.

ESTIMATIVA DE LA MINIMA LONGITUD DEL CONDUCTOR

La mínima longitud del conductor a ser utilizado para que esté en el límite de seguridad será:


a Km Ki I mallaV toque máximo

L mínimo

Entonces

minmax

a Km Ki I mallaL

Vtoque

MODIFICACIÓN DEL PROYECTO DE LA MALLA

Para que la tensión de toque quede dentro del límite de seguridad, se debe colocar jabalinas de 3 m a lo largo del perímetro de la malla.

La cantidad de jabalinas (Nh) es dado por la siguiente expresión:

3

3

L total Lt L jabalinas L mínimo

L mínimo LtNh

L jabalinas Nh

L total Lt L jabalinas

CALCULO DEL POTENCIAL DE MALLA

1Kii Para jabalinas solamente dentro del perímetro

Realizando un nuevo cálculo para Km se tiene:

Se utiliza el mayor valor entre ea y eb para este caso eb

22 21 4 8ln ln

2 16 8 4 2 1

eb heb KiiKm

h d eb d d Kh N

0.656 0.172Ki N

Entonces:

1.15

a Km Ki I mallaV malla

Lt L jabalina


Verificó el límite de seguridad para la tensión de toque.

CALCULO DEL POTENCIAL DE PASO EN EL PERIMETRO DE LA MALLA

N máximo (maximo valor en Na y Nb)

0.656 0.172Ki N máximo

Para el cálculo del potencial de paso en el perímetro de la malla, se utiliza el menor valor entre ea y eb, esto es:

Kp = Coeficiente que introduce en el calculo la mayor diferencia de potencial entre dos puntos distanciados a 1 m.

VpM= Mayor potencial de paso que surge en la superficie de la malla, en la máxima falla a tierra

CALCULO DEL POTENCIAL DE TOQUE EN LA CERCA METALICA

22 2 21

2 22

1ln 2 ln

2

N máximo

n

h x h e x n e xKc

n eh d h e

DONDE:

e = El menor valor entre ea y eb

x = distancia en metros desde las cercanías de la malla hasta el punto considerado (persona)

Para x = 0

Se tiene un valor de Kc

Para x = 1

Se tiene otro valor de Kc

DONDE:

Kc Kc x 1 Kc x 0

ρa Kc Ki I mallaV cerca

Lt 1.15 L jabalina

V cerca V toque máximo

El potencial del cercado esta adecuado

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