Capítulo 6 - Osinergmin Orienta

13/02/2015
DistriLuz
1.
2.
3.
4.
5.
III Calculo de puestas a tierra
Puesta a tierra puntuales
Puesta a tierra en líneas de transmisión.
Puesta a tierra en Estaciones transformadoras.
Aplicaciones.
Diseño de malla de puesta a tierra de una
subestación. (Trabajo de gabinete)
[email protected]
DistriLuz
Consideraciones
La resistencia de puesta a tierra total tiene tres
componentes:
• (a) La resistencia del conductor conectado al sistema
de puesta a tierra, que es función de su resistividad,
longitud y sección
• (b) La resistencia de contacto entre la superficie del
electrodo y el suelo, este valor es usualmente
pequeño si el electrodo está libre de pintura o grasa,
esto se elimina efectuando un buen contacto entre
el electrodo y tierra.
• (c) La resistencia de la tierra alrededor del electrodo
que es la resistencia principal que influirá en la
resistencia total de la puesta a tierra.
[email protected]
1
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DistriLuz
R
Consideraciones
L
A
Donde:
 :resistividad del terreno
L :longitud del electrodo
dR
 dx
2x2
b
r
A :área de la semiesfera equivalente
L
a
c
 dx
r1
R  r 2 x 2 
Si r1  ∞

R∞ 
2 r
[email protected]
CONFIGURACIÓN GEOMÉTRICA
DE LAS PUESTAS A TIERRA
ELECTRODOS VERTICALES
L
ELECTRODOS HORIZONTALES
MALLAS
L
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Puesta a tierra puntuales SE
MT/BT
Electrodos verticales (BARRAS )

e
R = ---------2 L
2*L
Ln -------a
L
•
a
: Radio de la barra (m)
•
•
R
L
: Resistencia a tierra de la barra ( Ohm )
: Longitud de la barra (m)
 e : Resistividad equivalente del terreno ( - m)
APLICACIÓN 1
• Determinar la resistencia de puesta a
tierra, de una barra, en las siguientes
condiciones
• L = 2.0 (m)
;  = 100 ( Ohm - m )
• a = 0.008 (m)
Solución :
e
2*L
100
R = -------- Ln ------ = --------------( 2* 3.14* 2)
2L
a
2*2
Ln --------0.008
R = 49.45 ( Ohm )
3
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APLICACIÓN 2
Una barra de cobre de 2,4 m de longitud, 8
mm de radio, en un terreno de resistividad
equivalente 50 ( - m) tiene una resistencia de
puesta a tierra de:
R
50
・ ・ 2 x 2,4・・
 21,21 
・Ln・
・8,10-3 ・・
・・
2 ×2,4・
APLICACIÓN 3
Determinar la resistencia de puesta a tierra de una jabalina en
las siguientes condiciones, Longitud = 2 m;  = 5  - m
,radio de la barra 8 mm.
R
・ ・ 2 x 2 ・・
5
 2,47 
・Ln・
・8x10-3 ・・・・
2 ×2 ・
4
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Tarea2
Determinar la resistencia de puesta a tierra de una jabalina en
las siguientes condiciones, Longitud = 2,4 m;  = 100  - m
,radio de la barra 8 mm.
Electrodos verticales enterrados a una
profundidad (t)
R
Superficie
•
•
•
a : Radio de la barra (m)
R : Resistencia a tierra de la barra ( Ohm )
L : Longitud de la barra (m)
 e : Resistividad equivalente del terreno ( - m)
t
2a
L
Nota: El objetivo de enterrar una distancia “t” al
electrodo debajo de la superficie es para disminuir los
posibles gradientes de potencial sobre la superficie del
terreno en los contornos de la barra.
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APLICACIÓN 4
Para la aplicación 2, calcular la resistencia sabiendo
que la jabalina está a 30 cm debajo de la superficie.
R
・ 2,4
50
Ln ・ ・
2× 2,4
・8 x10-3
3x2,4 4 x 0,3 ・
・  20,31
2,4  4 x 0,3 ・
Como se puede observar los resultados son
similares pero los gradientes seran menos
peligrosos
Tarea 3
Para la tarea 2, calcular la resistencia sabiendo que la
jabalina está a 20 cm debajo de la superficie.
Comentar los resultados:
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RESISTENCIA A TIERRA DE DOS O MÁS JABALINAS EN
PARALELO
Para dos jabalina seaparados una distancia D.
Ln・ ・
D2 -(b
・
・・
L)2 ・
D
2a
Resistencia
equivalente
0.5
0.44
0.4
b
L
0.3
0.244
0.2
0.174
0.1
0.136 0.113
0.097 0.085
0
1
2
3
4
5
6
7
Numero de electrodos enparalelo
Aplicación
Calcular la resistencia equivalente de dos jabalinas
estan separadas 5m, longitud 2,4m, resistividad 50 m y un radio de 8 mm.
D
2a
R2 
5 -(5,546
・
・・
2,4) 2 ・
L
b
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Tarea 4
Calcular la resistencia equivalente: de dos jabalinas
estan separadas 10m, longitud 2,4m, resistividad 50
-m y un radio de 8 mm.
DistriLuz
Puesta a tierra en LT
Criterios de diseño:
•
Puesta a tierra para protección del personal;
el diseño debe contemplar evitar tensiones Up y Uc
menores a los valores tolerables Up= 90V y Uc<65V
para t=0,3s ( 50V tensión admisible para t<3s), siendo
más riguroso en zonas pobladas.
Up=1993V, (Permisible) para t=166ms
Uc=1966V, (Permisible) para t=166ms
•
Puesta a tierra de servicio; R< 15 para la
efectiva actuación de los relés de distancia.
•
Puesta a tierra como protección de la LT
contra descargas atmosféricas; Los valores
deben ser los mas bajos económicamente posible, sobre
todo en estructuras vulnerables a las descargas (Torres
en cumbres, elevado nivel isoceraúnico), a fallas y de
alto transito peatonal.
[email protected]
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DistriLuz
Puesta a tierra en LT
Configuración de la puesta a tierra:
•
Pueden ser sistemas simples o
compuestos, entre jabalinas, contra
peso simple, doble o auna profundidad
de enterramiento de h=0,65 m
•
Anillo de contrapeso
•
Jabalinas y contrapeso radial
[email protected]
CONTRAPESOS SIMPLES
2
e
R = ---------2L
•
•
•
d
R
L
•
e
h
L
Ln -------d*h
L
: Diámetro del conductor. (m)
: Resistencia a tierra del conductor. ( Ohm )
: Longitud del conductor .(m)
: Resistividad equivalente del terreno. ( - m)
: Profundidad de enterramiento. (m)
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APLICACIÓN
•
Determinar la resistencia de puesta a tierra , de un
conductor horizontal , en las siguientes condiciones :
• L = 50(m)
;  = 100 ( Ohm - m )
• d = 0.0022 (m) ;
h = 0.6 (m)
Solucion :

R = ---------2L
2
2
L
100
50
Ln -------- = ------------------ Ln --------d*h
(2 * 3.14 * 50)
(0.0022 * 0.6)
R = 14.16 ()
CONTRAPESOS COMPUESTOS
2 Contrapesos simétricos a 180°:
2
2 Contrapesos simétricos a 90° : R  3 L ・Ln・2a h・ 1,077 0,836 L 3,808・L・
4
13,824・L・
3 Contrapesos simétricos a 120° :
4 Contrapesos simétricos a 90°
:
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Aplicación
Calcular la resistencia de puesta a tierra de una linea
compuesta por dos contrapesos de 30 m de longitud
dispuestos en angulo de 180 grados, resistividad 300
-m y un conductor
de 15 mm de diámetro,
enterrado a una profundidad de 0,7m.
R
・4x60 ・ 60
0,366x300・
・Log・ ・ ・ ・log
・
・ 0,015・ 0,7
60
Tarea
Calcular la resistencia de puesta a tierra de una linea
compuesta por dos contrapesos de 20 m de longitud
dispuestos en angulo de 180 grados, resistividad 50 m y un conductor de 15 mm de diámetro, enterrado
a una profundidad de 0,7m.
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CONTRAPESOS COMPUESTOS Y ANILLOS CONCENTRICOS
El objetivo es obtener Up y Uc dentro de lo permisible, en algunos
casos es necesario varios anillos, cuya profundidad de
enterramiento puede ir variando a medida que se aumenta el
numero de anillos.
Contrapesos de anillo
Donde:
D: Diámetro del anillo
h: Profundidad de enterramiento
d: Diámetro del conductor
L: D, longitud del conductor
a: (d h)1/2
Jabalina equidistante en anillo
Donde:
D: Diámetro del anillo
n: número de jabalinas
b: Radio
L: D, longitud del conductor
DistriLuz

Rc
・ ・1,27L
・・
・Ln・ ・ ・ ・・
L ・ ・ a ・・
・
L
・ ・4L・
R
Ln・ ・・ ・ D1
・
・
・
b
・
2n L
・
・

n 1
i1
・
・
・・
1
・
・
・sen i ・・
・ ・
・
・・
n・
Puesta a tierra en SS.EE
Malla de tierra profunda
Compuesto por conductores
enterrados
en
forma
horizontal formando malla y
electrodos verticales
en
lugares
apropiados
generalmente
en
las
esquinas de las cuadriculas
las ventajas de la malla
son:
[email protected]
12
13/02/2015
DistriLuz
Puesta a tierra en SS.EE
•
La malla es la manera más practica
para
controlar
los
potenciales
anormales, debido a las Ift altas y
resulta dificil de obtener reistencias
bajas.
•
La
malla
proporciona
mejor
dispersión de las corrientes de falla
ya que con un electrodo simple seria
imposible.
•
Las jabalinas conbinadas con la malla
son de gran valor para terrenos de
alta resistividad superficial.
[email protected]
Métodos clasicos de cálculo
METODO APROXIMADO DE LAURENT y NIEMAN
e
e
R = --------- +
4*r
•
•
•
r
R
L

-------L
: (A/)1/2 Radio medio de la malla (m)
: Resistencia a tierra de la malla ( Ohm )
: Longitud del conductor de la malla (m)
: Resistividad equivalente del terreno (Ohm - m)
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APLICACIÓN
• Determinar la resistencia de puesta a tierra , de
una malla, en las siguientes condiciones:
e
R = --------- +
4*r
3m
 e = 100 (Ohm-m)
e
-------L
100
R = --------- +
4 * 2.39
6m
100
-------- = 14.16 (Ohm)
27
APLICACIÓN
•
• Calcular la R de la malla de un terreno de 100 -m de
resistividad equivalente, de la malla mostrada.
10m
10m
R
100
100
 6,1

・ 10x10 ・ 60
・・
4・ ・
・
・
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Tarea
•
• Calcular la R de la malla de un terreno de 50 -m de
resistividad equivalente, de la malla mostrada.
20m
10m
Métodos clasicos de cálculo
METODO SCHWARZ
Método mas exacto que el anterior y se efectúa en dos pasos:
a)
Cálculo de la resistencia de puesta a tierra de la malla, R11
a)
Cálculo de la resistencia de la jabalina, R12
R11 

L
(Ln
R12  R11 
2L
L
- K2)
 K1
S
a1

L
(Ln
L1
1)
a1
15
13/02/2015
Métodos clasicos de cálculo
METODO IEEE-Std 80-2000
Método mas utilizado y se efectúa en los siguientes pasos:
Paso 1: Investigación de las características del suelo
Paso 2: Determinación de la If-t máx, considerar las futuras
ampliaciones, la Rf, el cable de guarda, el factor de
decremento.
Diseño preliminar del SPAT
•
•
•
Configuración del reticulado
Elección de los materiales a utilizarse
Cálculo de la longitud del conductor a utilizar requerido para el
control de los gradientes
Paso 3: Cálculo de la longitud del conductor a
utilizar requerido para el control de los gradientes
Entre los potenciales mas peligrosos es la tensión de
malla. Em:
Em=Km Ki (I/L)
Donde Km: Coeficiente que toma el efecto del numero
de conductores en paralelo n, el espaciamiento entre
conductores D, el diámetro del conductor d y la
profundidad de enterramiento h.
Km 
3 5 7
1
1
D2
 Ln( )( )( )...
Ln
4 6 8
2

16hd
El número de los factores entre paréntesis es dos menos que el
número de conductores en paralelo de la malla básica.
16
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Cálculo de la longitud del conductor a utilizar
requerido para el control de los gradientes
Ki: factor de corrección de irregularidad, que toma en cuenta la
no uniformidad del flujo de corriente en las diferentes partes
de la malla.
Ki =0,65+0,172 n
: Resistividad promedio del terreno en .m
If: Corriente total máxima rms de falla a tierra, en A
L:Longitud total del conductor enterrado en m.
Igualando la Em = U toque tolerable y considerando suelo uniforme
(Cs=1) se determina la longitud del conductor requerido para
mantener la tensión de malla dentro de los límites de
seguridad
LT 
KmKi ×  × If t
116  0.174  S
Paso 4: Cálculo de la resistencia de puesta a tierra
Se recomienda hacer un cálculo preliminar según
Laurent y posteriormente cuando se logre la
configuración definitiva del reticulado, se puede hacer
un cálculo más exacto utilizando el método de
Schwarz.
Paso 5: Cálculo de la máxima elevación de potencial
de la malla
La máxima elevación de potencial de la malla con
respecto a tierra remota va a ser E=IR, donde R es la
resistencia de puesta a tierra del reticulado.
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Paso 6: Cálculo de la tensión de paso en la
periferia de la malla
El chequeo de la máxima tensión de paso que puede
ocurrir en el perímetro de la malla se hace:
Epaso  KsKi  If
L
Epaso  Ep tolerable
Ks: Coeficiente que toma en cuenta el efecto del
número de conductores en paralelo n, espaciamiento
D y la profundidad de aterramiento h de los
conductores de la malla.
Ks 
1 1
1
1
1
(



 ....)
 2h D  h 2D 3D
El número total de términos entre paréntesis es igual al número
de conductores en paralelo.
Paso 7: Cálculo de la tensión de toque y paso
internas
Estos potenciales se encontraran dentro de los límites tolerables
si es que se emplea por lo menos la longitud de conductor
calculado.
Todo lo tratado hasta aquí es válido
para casos de falla, pero
cuando se trata de una corriente permanente, se debe hacer un
chequeo del valor de corriente que puede fluir a tierra sin causar
peligro a las personas: 9mA para el hombre y 6mA para la mujer
If
9
 (1000 1,5 s)
L
1000
9
I  (1000 1,5 s) xLx
1000
KmKi 
KmKi 
Esta corriente a la vez sirve para la calibración de los relés.
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Paso 8: Investigar los posibles potenciales
transferidos
Comprende el análisis de los efectos que puedan tener en la
creación de potenciales peligrosos ciertos dispositivos como
circuitos de comunicación, rieles, conductores neutros de baja
tensión, equipos portátiles e instrumentos alimentados desde la
subestación.
Paso 9: Investigación de puntos peligrosos
especiales
Estos puntos son las cercas, las manijas de operación, la puesta a
tierra del apantallamiento de los cables, la puesta a tierra de los
pararrayos, etc.
Paso 10: corrección o refinamiento del diseño
preliminar
Aplicación
19