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EMPRESA ELÉCTRICA REGIONAL DEL NORTE, EMELNORTE S.A.
EMPRESA ELECTRICA REGIONAL DEL NORTE S.A.
REFORZAMIENTO DEL SISTEMA NACIONAL DE DISTRIBUCION
PROCESO: SP No. BID-RNSD-EMELNORTE-ES-FC-001
CONTRATO 187
ESTUDIOS DE DISEÑO DE LA SUBESTACIÓN CANANVALLE
INGENIERÍA BÁSICA
MEMORIA DE CÁLCULO: MC SE CAN E 002
DIMENSIONAMIENTO MALLA DE TIERRA
NOVIEMBRE DE 2015
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CONTENIDO:
DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA S/E CANANVALLE ..................................................................................... 3
1
ANTECEDENTES .................................................................................................................................... 3
2
OBJETIVO DEL DISEÑO .......................................................................................................................... 4
3
ALCANCE ............................................................................................................................................... 4
4
CONSIDERACIONES GENERALES Y ESPECÍFICAS PARA EL DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA ............... 4
5
PARÁMETROS DE ENTRADA ................................................................................................................. 5
6
MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL SUELO Y CÁLCULO DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO ............... 6
7
ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOS............................................................................................................ 6
8
DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA MALLA DE TIERRA .................................................................. 7
9
CONCLUSIONES: .................................................................................................................................10
10
RECOMENDACIONES: .........................................................................................................................10
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DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA S/E CANANVALLE
1
ANTECEDENTES
Para el diseño seguro y adecuado de la malla de la S/E, se procedió a realizar las mediciones de la
resistencia del suelo, utilizando e método de las cuatro puntas (electrodos). Las mediciones se realizaron
en el sentido longitudinal y en el transversal del terreno. Los valores obtenidos directamente de las
mediciones de campo se aprecian en la Tabla No. 1.
Tabla No. 1 Valores de la resistencia del suelo obtenidos en campo el 12 de agosto de 2015
VALORES OBTENIDOS
DISTANCIASENTRE ELECTRODOS
(Ω)
Medición
Ruta 1
Ruta 2
Rpromedio
Símbolo
unidad
distancia
No.
(N-S)
(E-O)
(R1+R2)/2
1
a1
m
2
4,69
5,36
5,03
2
a2
m
4
2,43
3,22
2,83
3
a3
m
8
1,15
1,49
1,32
Con los datos obtenidos de las mediciones, y siguiendo la guía de cálculo recomendada por la norma
ANSI-IEEE 81-1983, se procedió al cálculo de la resistividad aparente del suelo, por rutas y la promedio
del área de la S/E.
En la Figura No. 1, que consta a continuación, se grafican los valores obtenidos de resistividad aparente
para cada ruta, los mismos que reflejan que el suelo es homogéneo en los dos sentidos y su resistividad
relativamente baja, da cuenta de un terreno arcilloso, con una buena conductividad. En el mismo
gráfico, también se representa la variación de la resistividad aparente promedio del terreno y la
resistividad de cálculo.
Figura No. 1 Resistividad aparente y resistividad de cálculo en Ω-m, del terreno
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Los valores que se grafican en la figura No.1, se encuentran tabulados a continuación (ver Tabla No. 2).
Tabla No.2 Valores de la resistividad aparente del terreno de la S/E Cananvalle y de la
resistividad aparente promedio (Ω-m)
Ruta 1
Ruta 2
Promedio
34,58
30,25
31,34
20,37
15,37
16,62
9,38
7,24
7,78
La resistividad con que se ha de dimensionar la malla tiene un valor de 20 Ω-m.
2
OBJETIVO DEL DISEÑO
El objetivo principal del diseño de la malla de tierra es:
• Limitar las diferencias de potencial que se pudieran presentar en la sub estación bajo condiciones de
falla entre diferentes puntos que conectados al cuerpo humano.
• Proveer los medios para facilitar la conducción de las corrientes eléctricas a tierra en condiciones
normales de operación y bajo condiciones de falla, sin exceder ningún límite operativo de la red o de
los equipos, ni afectar a la continuidad del servicio.
• Asegurar que una persona, en la vecindad de la instalación puesta a tierra, no sea expuesta al riesgo
de shock eléctrico.
3
ALCANCE
El trabajo, cuya síntesis se presenta a continuación abarcó los siguientes aspectos:
• Antecedentes,
• Objetivo y alcance,
• Consideraciones generales y específicas para el diseño;
• Medición de la resistencia del suelo de la S/E;
• Estudios de corto circuito bajo diferentes condiciones de operación (escenarios), para identificar la
máxima corriente de falla a tierra;
• Cálculo de los principales parámetros de la malla de tierra, para determinar los límites de estos,
dentro de los cuales se garantiza la seguridad de las personas y de los activos.
• Diseño geométrico de la malla, adecuado a la implantación del equipamiento y de la conexión a
tierra del mismo.
• Lista de materiales y presupuesto.
4
CONSIDERACIONES GENERALES Y ESPECÍFICAS PARA EL DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA
Para para el dimensionamiento malla se tomaron en cuenta los siguientes criterios básicos:
• La malla será única y cubrirá todo el terreno ocupado por el nuevo equipamiento; es decir, el patio
de equipos, el del transformador y la sala de control
• La resistividad del suelo de la S/E es relativamente baja; y para el dimensionamiento de la malla se
consideró que con una probabilidad del 70 %, su valor de cálculo, no será superado por la
resistividad real del suelo de la S/E.
• Para el cálculo del valor de la corriente de cortocircuito, se tomaron como base los valores
equivalentes de impedancias de secuencias positiva y cero, entregados por el Cliente, en los puntos
de conexión de la red de EMELNORTE con el Sistema Nacional Interconectado (SNI).
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•
•
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•
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•
5
Para determinar el máximo valor de corriente de cortocircuito se simularon fallas trifásicas y fallas
fase-tierra, para diferentes despachos de generación en el SNI.
El peso promedio de las personas que podrían frecuentar los espacios de la S/E será de 70 kg.
El máximo tiempo de permanencia de la falla es de 0,5 s.
En las S/Es eléctricas, es una práctica generalizada, aunque no está normado en el sistema eléctrico
ecuatoriano, utilizar el conductor calibre AWG 4/0, para la construcción de la malla; y la formación
de las cuadrículas de esta, con suelda auto fundente.
La temperatura promedio del suelo en que se construirá la malla, es menor a los 15 (⁰C);
El terreno del patio de maniobras se cubrirá con una capa de grava de 12 cm de espesor cuya
resistividad es de 2500 - 3000 (Ω-m); para efectos de nuestro diseño, hemos adoptado el valor de
3000(Ω-m).
PARÁMETROS DE ENTRADA
Bajo las consideraciones señaladas y teniendo disponibles los datos de entrada que se registran en la
Tabla No. 3, que a continuación se presenta, se procedió a dimensionar la malla de tierra.
La malla se construirá en forma de L y tendrá las dimensiones y características iniciales que se aprecian a
continuación:
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Tabla No. 3 Parámetros de entrada para el dimensionamiento de la malla de tierra
Descripción
Símbolo
Unidad
Valor
Longitud 1 de la malla
ML1
m
30
Longitud 2 de la malla
ML2
m
25
Ancho 1 de la malla
L2
m
13
Ancho 2 de la malla
A2
m
13
Resistividad de cálculo, del terreno
ρ
Ω-m
20
Resistividad de la capa de grava
ρ
Ω-m
3000
Peso promedio de una persona
kg
70
I”máxima (13,8kV)
Ifmax”
A
4940
Tiempo de duración de la falla
t
s
0,5
Voltaje nominal de la red MT
UBT
kV
13,8
Voltaje nominal de la red de AT
UAT
kV
69
Resistencia de secuencia positiva equivalente
R1
Ω
16,07
en 13,8kV
Resistencia de secuencia cero equivalente en
R0
Ω
16,22
13,8kV
Reactancia de secuencia positiva equivalente
X1
Ω
52,16
en 13,8kV
Reactancia de secuencia cero equivalente en
X0
Ω
92,21
13,8kV
Profundidad a la que se tiende la malla
h
m
0,6
Espesor de la capa de grava
hs
m
0,12
Material del conductor de la malla
Cobre comercial
Material de unión de los nodos de la malla
Suelda auto-fundente
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MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA DEL SUELO Y CÁLCULO DE LA RESISTIVIDAD DEL TERRENO
La medición de la resistencia del suelo se realizó utilizando el método de las cuatro puntas, con el
equipo Telurómetro FLUKE 1625. Para el cálculo de la resistividad del suelo se aplicó la metodología
recomendada por la norma IEE81 1973.
El valor de diseño de la resistividad del terreno se obtuvo siguiendo el procedimiento establecido por la
norma IEEE80-2000, obteniendo como resultado 20 (Ω-m). Es un valor muy bajo
De los valores registrados se desprende que el suelo corresponde a un tipo orgánico-húmedo, cuya
resistividad, cuando esté muy seco, puede alcanzar hasta los 200 Ω-m (IEEE80 tabla 8).
Conviene señalar que las mediciones se realizaron en una época muy seca, en pleno verano, cuando ha
pasado más de 30 días sin lluvias (ver: “Reporte de Campo – Medición de la Resistencia del Terreno S/E
CANANVALLE”).
7
ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOS
Para dimensionar la malla de tierra se hicieron varias corridas de corto circuitos para diferentes
escenarios de despacho de generación; sin embargo, se encontró que para este punto de la red, el
impacto de la variación del despacho de carga, bajo diferentes escenarios de generación (período seco o
período lluvioso), para el año que se consideró como referencia, es despreciable. De suerte que la
condición de período lluvioso o seco, no es relevante para nuestro propósito.
Se tomó como referencia el año 2023, considerando que para esa fecha ya se habrán incorporado al
Sistema Nacional Interconectado, importantes proyectos de generación, algunos de los cuales se
registran en el cuadro que se ve a continuación.
Las centrales que se incorporan al sistema nacional de transmisión hasta el 2023 y que para el estudio
de corto circuitos se consideraron despachadas, en horas de Demanda Máxima y durante el período
lluvioso constan en la Tabla No. 4.
CENTRAL DE GENERACIÓN
POTENCIA INSTALADA (MW)
Baba
Chorrillos
Hidrovictoria
Sopladora
Mazar Dudas
Quijos Baeza
Toachi-Pilatón
Toachi-Pilatón
42
4
10
487
22,3
100
50
178
Minas
Coca Codo Sinclair
Manduriacu
Abanico
Delsitanisagua
273
60
37,5
115
Tabla No. 4 Centrales despachadas para el estudio de cortocircuitos
El documento MC-SE-CAN-E-001 cálculo de cortocircuitos, indica el procedimiento seguido para el
cálculo de las corrientes de cortocircuito y los valores obtenidos para los diferentes tipos de falla en los
dos niveles de voltaje de la S/E: 13,8kV y 69kV.
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DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE LA MALLA DE TIERRA
Para el cálculo de la malla, se siguió el procedimiento establecido en la Norma IEEE80-2000. El cálculo de
realizó para una configuración convencional con cuadrículas de 5X5 m. la misma que gracias a la baja
resistividad del suelo, permitió lograr que los valores obtenidos como el potencial de contacto o de
toque, el voltaje de paso y la resistencia misma de la malla se encuentren dentro de los valores
permitidos, para garantizar la seguridad de las personas y los activos de la S/E.
En base a las consideraciones arriba indicadas y al procedimiento de la Norma IEEE80-2000, se procede
a dimensionar la malla y se tienen los siguientes resultados:
• Material y Calibre del conductor utilizado: cobre, 4/0AWG
• Valor límites controlable del Voltaje de Paso: 2862,7 V
• Valor límites controlable del Voltaje de Contacto: 950,5V
• Espaciamiento entre celdas o cuadrículas de la malla:
• Longitud requerida del conductor: 400m
• Resistencia de la malla de tierra: 0,4Ω
• Corriente máxima de la malla a tierra: 1070
• Potencial esperado de la malla: 397 V
• Máximo voltaje de celda: 73 V
• Número de varillas a clavarse: NO SE REQUIEREN.
A continuación se presenta una imagen de los resultados obtenidos del procedimiento seguido.
DIMENSIONAMIENTO DE LA S/E CANANVALLE
EMELNORTE
DATOS DE ENTRADA
Paso 1
Parámetro o dato
unidad
valor
comentarios
Ω-m
20,00
Ω-m
3000,00
kG
70,00
m
62,33
Ancho del terreno, L y
m
40,87
RMS de la corriente simetrica de falla en 13,8kV
A
3498,00
Corriente instantánea - pico, de corto circuito Ip (al medio
ciclo de producida la falla)
A
6890,00
Corriente máxima de falla a tierra 13,8kV
I”(máxima) (If)
A
4,94
Resistencia de secuencia positiva en barras 13,8kV
Ω
16,07
Reactancia de secuencia positiva en barras 13,8kV
Ω
52,16
Resistencia de secuencia cero en barras 13,8kV
Ω
16,22
Reactancia de secuencia cero en barras 13,8kV
Ω
92,21
*
0,024600
IEEE 80 - 2000
Factor de division de la corriente de falla (Ig/3I0)
Sf
0,30
IEEE 80 - 2000 anexos fig C.4
espesor de la capa de grava h s
m
0,12
Resistividad del terreno -
ρ
Resistividad de la capa de grava ( ρ s )
Peso promedio de la persona
Longitud del terreno,
Lx
Constante de shok (energía tolerada por una persona de70kG
)-SB
duración de la falla
tc
Profundidad de la malla -
h
Impedancia del transformador (25MVA; 13,8kV)
Material del conducxtor utilizado para la malla
La capa será de 15cm.
DATOS DEL CLIENTE
s
0,50
m
0,60
Ω
0,61
valor asumido, referido a 13,8kV.
Copper, commercial hard-drawn
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Paso 2
CÁLCULO DEL ÁREA DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL CONDUCTOR
a)
Determinación de 3I0
resistencia en 13,8 kV, RΣ
reactancia en 13,8kV,
XΣ
Corriente de Secuencia Cero (3I0)
Unida
Valor
Ω
48,36
Ω
198,36
A
117,07
relación (X/R)
Comentarios
IEEE 80 - 2000
(B.1)
4,10
b)
determinación del área de la sección del conductor
1circular mil equivale a
factor de decremento de la corriente D f
(considera la relación X/R)
mm²
0,0005067
*
1,02
CONDUCTOR UTILIZADO PARA LA MALLA
1 mil equivale a: 0,000645 mm²
IEEE 80 - 2000
(tabla 10)
Copper, commercial hard-drawn
conductividad del cobre
(%)
97,00
IEEE 80 - 2000
(tabla 1)
Temperatura de fundición - T m ª
(º C)
1084,00
IEEE 80 - 2000
(tabla 1)
*
11,78
IEEE 80 - 2000
(Tabla 2)
K cmil
57,39
IEEE 80 - 2000 anexos
Area de la sección transversal del conductor - A
mm²
29,08
corresponde a calibre < 2AWG
Calibre corespondiente del conductor
AWG
< #2
mm
6,08
Calibre seleccionado para la malla:
AWG
4/0
Diámetro del conductor seleccionado
mm
11,70
Constante del material (considera la máxima temperatura
permitida de las conexiones), K f
Area de la sección transversal del conductor ( A = I ⋅
Kf√tc )
diámetro del conductor - d
Paso 3
( A= πd²/4 ; (mm²))
(B.2)
por consideraciones de esfuerzos
electrodinámicos y térmicos.
CÁLCULO DE LOS VALORES LÍMITE, DE LOS VOLTAJES DE PASO Y DE CONTÁCTO
Verificación de la efectividad del espesor de la capa superficial de grava
Magnitud o Parámetro
factor de reflexión entre diferentes resistividades de
material del área que ocupa la malla
K
Factor (reducción por impacto sobre la capa superficial), C s
Duración de la corriente de shock
ts
Unidad
VALOR
*
-0,9868
IEEE 80 - 2000
(21)
*
0,73
IEEE 80 - 2000
(Fig.11)
s
0,50
IEEE 80 - 2000
(27)
El Voltaje Tolerable de Paso y el Voltaje Tolerable de Contacto, que a continuación se presentan, se calculó
considerando que el peso de las personas que pasan en las S/Es es de 70kG.
El máximo voltaje controlable que se presente en cualquier parte de la instalación, no debe sobrepasar los valores
que a continuación se definen:
Maximo Voltaje de Paso cntrolable ante cualquier falla
E step (70)
potencial de contacto
E touch (70)
V
2862,67
IEEE 80 - 2000
(30)
V
950,497
IEEE 80 - 2000
(33)
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Paso 4
DISEÑO DE LA MALLA DE TIERRA
área de terreno disponible
longitud de la malla M l1
M a1
longitud de la malla M l2
ancho de la malla M a2
ancho de la malla
área de la malla de tierra - A
m²
m
2547,43
m
13,00
m
25,00
m
m²
715,00
30,00
13,00
número de conductores
Cl1
Cl2
número de conductores C a1
número de conductores C a2
*
6,00
número de conductores
*
5,00
*
3,00
*
3,00
(D l )
espaciamiento de las celdas ( D a )
m
6,00
m
6,00
espaciamiento de las celdas
longitud total del conductor de la malla en el planoo
horizontal (Lc )
longitud total del perímetro de la mala (L p )
m
383,00
m
162,00
Ml1
Ml2
Ma1
Ma2
representación de las dimensiones y de las formas posibles de una malla de tierra
Paso 5
Cálculo de la Resistencia de la Malla.
Resistencia de la Malla de Tierra
Rg
Paso 6
Ω
0,3715
IEEE 80 - 2000
(52)
Corriente máxima de la malla a tierra IG
factor de división de la corriente (Sf)
*
0,3000
Corriente máxima de la malla a tierra IG
A
1070,3880
paso 7
IEEE 80 - 2000
IEEE 80 - 2000
(63)
(63, 64) y (B11)
Potencial de la malla GPR (esperado)
GPR = IG*Rg
V
Evaluación con potencial de contacto E touch (70)
V
397,6101
552,8867
(Etouch (70) - GPR ≥ 0)
DISEÑO ES
SEGURO
Plantilla No. 1 Cálculo de Malla de Puesta a Tierra – Norma IEEE-80
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CONCLUSIONES:
El suelo sobre el que se construirá el patio de maniobras de 69kV y la casa de control de la S/E
Cananvalle, corresponde a un tipo arcilloso, cuya resistividad, cuando está seco puede alcanzar
hasta los 200Ω/m.
El valor de cálculo, de la resistividad es de 20 (Ω-m).
El valor de la corriente de cortocircuito seleccionado, corresponde a una falla producida durante un
régimen de operación del sistema de máxima generación de un período lluvioso en 2023; el valor
máximo de la corriente de cortocircuito obtenido es de 6,89 kA.
El área de la sección transversal del conductor con que se debe construir la malla corresponde al
calibre 4/0 AWG. La sección del conductor es superior al determinado por el cálculo para las
condiciones operativas de la malla. Esto es debido a la práctica generalizada de uso de este calibre,
en las S/Es de los sistemas de transmisión y sub transmisión, por consideraciones mecánicas, aún
que no está regulado por ARCONEL.
La malla se construirá con el conductor y dicado y us uniones se harán con suelda auto fundente.
Con el dimensionamiento propuesto se cumplen los requerimientos estandarizados de seguridad
sobre el voltaje de contacto o toque, el voltaje de paso y la resistencia de la malla del patio de 69kV
de la sub estación Cananvalle (ver norma IEE80-2000).
El diseño de la malla y de las conexiones de los equipos a esta, se puede apreciar en los planos: No.
PL-SE-ANG-E-0120 y 0121.
El valor obtenido de la resistencia de la malla es igual a 1,24 Ω, el mismo que se enmarca dentro de
los valores aceptables de resistencias de mallas para patios del mismo nivel de voltaje.
10 RECOMENDACIONES:
•
•
•
•
•
Durante la construcción de la malla, tender el conductor sobre una delgada capa de material fino;
luego de tenderlo, cubrir el conductor también con una capa igualmente de material fino. Esto con
el objeto de proteger la integridad de la malla (conductos, uniones entre cuadrículas y conexiones a
chicotes), durante la construcción de la obra civil de la S/E.
Después de construida la malla, medir la resistencia de la misma y verificar que el valor de la
resistencia medida, se mantenga cercano al valor calculado de 1, Ω.
La Malla de Tierra básicamente formada por conductores de cobre desnudo de calibre # 4/0 AWG,
las derivaciones a las estructuras y a los equipos se deben realizar con conductor de cobre desnudo
# 2/0 AWG. La malla se construirá con soldadura exotérmica entre conductores.
Las grillas o cuadrículas de la malla se deben armar de 5 x 5 m aproximadamente.
Se debe construir una sola malla, que cubra el área del patio de maniobras y la sala de control.
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