PAT_2015_7_Ejemplo de calculo

1
PUESTA A TIERRA EN
INSTALACIONES DE ALTA TENSIÓN
Parte 7 – Ejemplo de cálculo
FERNANDO BERRUTTI
AÑO 2015
Datos de diseño
CALCULO DE LA MALLA SUPONIENDO FALTA 1FT
DENTRO DE LA ESTACION.
-
Caso típico de una instalación industrial.
No es aplicable a una red de distribución
pública.

Transformador 115/13.8kV – Dyn
-
 Z1
= Z2 = 4 + 10j  (115kV)
 Z0
= 10 + 40j  (115kV)
 ZTR
(13kV) = 0.034 + 1.014 j 
2
Datos de diseño
 tf = 0.5 seg.
 Sf = 0.6
 = 400 .m
 s = 2500 .m
 hs = 10 cm
 h = 50 cm
 A = 70 x 70 m
 Ta = 40ºC

3
(1)
Método norma IEEE-80
4
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

Primer punto: modelado del terreno.

 = 400 .m

A = 70 x 70m
En un caso genérico habría que hacer el
análisis de datos a partir del método de
Wenner.
5
(1)
Método norma IEEE-80
6
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

Segundo punto: dimensionado de los
conductores de la malla de tierra.
A mm2

t c αrρr 10 4
TCAP
I
  Tm  Ta 

Ln1  
  K 0  Ta 
Se debe calcular la corriente de
cortocircuito máximo para determinar
la sección de conductor.
7
Desarrollo de los cálculos

8
Cálculo de cortocircuito en 115kV:
IFT
3E
3 115 3


 3180A
Z1  Z 2  Z 0 4  4  10   j10  10  40 
X R  3.33

Cálculo de cortocircuito en 13kV:
IFT
3E
3 13 3


 6814A
Z1  Z 2  Z 0 2  0.085  0.034   j2 1.142  1.014 
X R  16.2
Desarrollo de los cálculos

Segundo punto: dimensionado de los
conductores de la malla de tierra.
A mm2
t c αrρr 10 4
TCAP
I
  Tm  Ta 

Ln1  
  K 0  Ta 

Se toma el peor cortocircuito: I = 6814A.

Tomando Tm = 700ªC.

A > 33.4 mm2  Conductor 50mm2.
9
(1)
Método norma IEEE-80
10
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

11
Tercer punto: cálculo de corrientes
admisibles.

ρ
0.09  1  
ρS 

CS  1 
2hs  0.09
E toque_adm
k
 1000  1.5 C Sρ S 
ts
E paso_adm
k
 1000  6C Sρ S 
ts
k  0.116 peso 50kg
k  0.157 peso 70kg
Desarrollo de los cálculos

Tercer punto: cálculo de corrientes
admisibles. Ejemplo con 70kg, k=0.157.

ρ
400 

0.09  1  
0.09  1 

ρ
S 

 2500   0.74
CS  1 
1
2hs  0.09
2  0.10  0.09
E toque_adm
k
 1000  1.5 C Sρ S 
 838V
ts
E paso_adm
k
 1000  6C Sρ S 
 2687V
ts
12
(1)
Método norma IEEE-80
13
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

Cuarto punto: diseño físico de la malla

Malla 70m x 70m.

D=7m

Sin jabalinas.
14
(1)
Método norma IEEE-80
15
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

Quinto paso: Cálculo resistencia
1

1 
1
1 
  2.78Ω
R g  ρ 
20A  1  h 20/A 
 L

 = 400 .m

h = 0.50 m

A = 70 m x 70 m

L= 1540 m
16
(1)
Método norma IEEE-80
17
(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

18
Sexto punto:
Cálculo de corriente por la malla IG.
Cortocircuito en 13kV: 6814A.
Cortocircuito en 115kV: 3180A.

En este caso se toma 3180 A ya que se
supone que la falla se produce dentro
de la estación:
I G  CP  S f  D f  I f  1 1  0.6  3180  1908A
Desarrollo de los cálculos

Séptimo punto: Cálculo de GPR.
GPR  R g  I G  E toque_adm
GPR  2.78 1908  5304V
E toque_adm  838V

No se cumple la desigualdad, por lo
tanto, habrá que evaluar los máximos
gradientes de potencial en la malla.
19
Gradientes de potencial
20
(1)
Método norma IEEE-80
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(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Evaluación de tensiones
de paso y toque.
ρIGK mK i
Em 
 E toque_max  838V
LM
ρIGK sK i
Es 
 Epaso_max  2687V
LS
22
Tensión de toque
23
ρIGK mK i 400  0.89  2.272 1908
Em 

 1002V
LM
1540
E toque_adm  838V

1   D2
(D  2h) 2 h  K ii
8
K m  Ln

   Ln
  0.89
2π   16hd
8Dd
4d  K h π (2n  1) 
K i  0.644  0.148  n  2.272
K ii 
1
(2n)
2
n
 0.57
Kh  1  h
h0
 1.225
(1)
Método norma IEEE-80
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(2)
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(10)
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(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Replanteo de la malla

Décimo paso: Modificación del diseño

No se cumple el criterio de toque.

Medidas a tomar:
 Reducir
corriente de falla.
 Reducir
tiempo de protecciones.
 Redimensionar
la malla de tierra.
25
Desarrollo de los cálculos

Cuarto punto: diseño físico de la malla

Malla 70x70m.

D=7m

20 Jabalinas en
el perímetro.
26
(1)
Método norma IEEE-80
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(2)
(3)
(4)
(10)
(5)
(9)
(6)
(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

Quinto paso: Cálculo resistencia
1

1 
1
1 
  2.75Ω
R g  ρ 
20A  1  h 20/A 
 L

 = 400 .m

h = 0.50 m

A = 70 m x 70 m

L= 1540 + 20x7.5 = 1690m
LA RESISTENCIA PASA DE 2.78 A 2.75
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(1)
Método norma IEEE-80
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(9)
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(8)
(7)
(11)
Desarrollo de los cálculos

30
Sexto punto:
Cálculo de corriente por la malla IG.
Cortocircuito en 13kV: 6814A.
Cortocircuito en 115kV: 3180A.

La corriente de cortocircuito no varía
en esta evaluación:
I G  CP  S f  D f  I f  1 1  0.6  3180  1908A
Desarrollo de los cálculos

Séptimo punto: Cálculo de GPR.
GPR  R g  I G  E toque_adm
GPR  2.75 1908  5247V
E toque_adm  838V
Con el diseño sin jabalinas GPR = 5304V
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Gradientes de potencial
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(1)
Método norma IEEE-80
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(11)
Evaluación de tensiones
de paso y toque.
ρIGK mK i
Em 
 E toque_max  838V
LM
ρIGK sK i
Es 
 Epaso_max  2687V
LS
34
Tensión de toque
35
400  0.77  2.272 1908
 747V



7.5
 150
1540  1.55  1.22
2
2 
70

70



 838V
ρIGK mK i
Em 

LM
E toque_adm
Em  747V  E toque_adm  838V
aceptable, se debe evaluar tensión de paso

Observación 1: Se reduce Km.

Observación 2: Crece la longitud efectiva.
Tensión de paso
36
ρ  K s  K i  IG 400  0.406  2.272 1908
Es 

 549 V
LS
0.75 1540  0.85  7.5  2
Epaso_adm  2687V
E s  549V  E toque_adm  2687V
aceptable, diseño correcto
(1)
Método norma IEEE-80
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(2)
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(11)
Diseño de detalle

Detalles constructivos:
 Conexión

equipos.
Jabalinas adicionales para equipos:
 Neutros
de trafos y generadores.
 Neutros
de bancos condensadores y
reactores.
 Descargadores

de sobretensión.
Estudio de potenciales de transferencia
38
Observaciones ejemplo

El diseño es válido suponiendo que no existen
salidas de 13kV que alimenten consumidores
fuera del área de aterramiento de la estación,
es decir, todos los defectos se producen
DENTRO DE LA ESTACION ATERRADA. Esto es
válido para plantas de generación y
consumidores cuyas mallas de tierra abarquen
toda el área de la instalación.

En caso que la estación refiriera a una red de
distribución pública y tuviera salidas en 13kV
debería considerarse la corriente de 6.8kA a
los efectos del diseño.
39