puestas a tierra para torres de transmisión

Seguridad Eléctrica Ltda.

PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

Documento elaborado por Segeléctrica Ltda. Colombia como apoyo a nuestros clientes.

Copyright: Seguridad Eléctrica Ltda. Calle 44C No. 57-49 Tel. (571) 3157800 / (571) 3156200 Web: www.seguridadelectricaltda.com Email: [email protected] Bogotá - Colombia

Julio de 2009


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 1. OBJETIVO

Diseñar puestas a tierra para diferentes rangos de resistividad en líneas de transmisión, dentro del marco de la compatibilidad electromagnética y la seguridad de las personas, atendiendo las recomendaciones de la normatividad internacional. 2. GENERALIDADES Todo diseño de puesta a tierra debe asegurar, hasta donde la ingeniería lo permita, limitar las elevaciones de potencial en el momento de falla, en la zona de influencia de la puesta a tierra. Si se logra despejar la falla en muy corto tiempo, se reducen las probabilidades de lesiones o daños. El valor y comportamiento de la impedancia de puesta a tierra de las estructuras de las líneas de transmisión es un factor fundamental que se tiene en cuenta para el diseño de una línea de transmisión, especialmente cuando se espera que ésta sea un medio seguro para dispersar las corrientes de rayo. La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma que soporten prácticamente todas las sobretensiones internas, pero no es posible diseñarlos para que soporten todas las sobretensiones externas (impulsos de tensión producidos por descargas eléctricas atmosféricas) porque la longitud de la cadena de aisladores sería tan grande que el costo del aislamiento sería exageradamente alto. Cuando la impedancia de la puesta a tierra de las torres de transmisión es alta, no se encuentra un medio propicio para la dispersión de las corrientes del rayo, lo que puede originar una reflexión parcial de la onda incidente, aumentando el potencial entre el brazo de la torre y el conductor de fase y dando origen a un fenómeno conocido como flameo inverso que recibe su nombre porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase. En una puesta a tierra no sólo encontramos una resistencia sino también una inductancia y una capacitancia que igualmente influyen en el paso de la corriente por la tierra; por lo tanto, no se debe hablar de una resistencia sino de una impedancia. Para bajas frecuencias, bajas corrientes y valores de resistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y de ionización del suelo y él mismo se comporta prácticamente como una resistencia. En el caso de altas frecuencias, como es el caso de los rayos, es necesario considerar el efecto capacitivo, principalmente en suelos de altas resistividades. Ondas de tipo impulso, como las de los rayos, sufren igualmente la oposición de la reactancia inductiva de las conexiones al penetrar el suelo.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Las empresas del sector eléctrico tienen como requisito lograr resistencias de dispersión menores a 20Ω. En la Figura 1 vemos un gráfico con la estadística de más de 350 torres. Esto explica por qué más del 60% de salidas de las líneas de transmisión, se le atribuyen a los rayos.

Figura 1 Mediciones de resistencia de puesta a tierra Para lograr un bajo número de salidas de una línea, la impedancia transitoria de puesta a tierra deberá ser pequeña. Uno de los sistemas de puesta a tierra más eficientes para reducir la impedancia de puesta a tierra de las torres de transmisión es usando contrapesos (conductores horizontales) como el de la Figura 2.

Figura 2 Puesta a tierra con contrapeso

El uso de contrapesos es una práctica común, se conectan a las bases métalicas de las torres, siendo un medio excelente para reducir la impedancia de la puesta a tierra porque incrementa el area de contacto con el suelo. Con el próposito de comprender el comportamiento del contrapeso se definen los conceptos básicos: Permeabilidad (k): Es un parámetro indicador de la capacidad de flujo. Es una medida de la razón a la cual un líquido puede fluir a través de una cierta área de


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN roca porosa sometida a un gradiente de presión específico. Se expresa en milidarcies (md). Permitividad (ξ) relativa o constante dieléctrica: es una medida de la polarizabilidad de un material en un campo eléctrico, cuantifica el efecto del medio sobre las fuerzas con que se atraen dos placas cargadas en forma opuesta. Se asume que para el vacio es igual a uno. Para líquidos y gases, se estima determinando la relación entre la capacidad de un condensador provisto de un dieléctrico determinado y la capacidad del mismo cuando se usa el aire. La constante dieléctrica del agua a la temperatura ambiente es de 80,37 lo que significa que dos cargas eléctricas opuestas en el agua se atraen mutuamente con una fuerza 80 veces inferior que si estuviesen en el aire o vacio. Esto hace que algunos cristales puedan disociarse en el agua con gran facilidad. Esta propiedad tiene gran influencia en la distribución de las corrientes alternas. Según datos experimentales, la permitividad de las rocas, difícilmente pasa de 30 (arena).

Figura 3 Permitividad respecto a la humedad Impedancia de impulso: Zi, Es el valor de la impedancia medida entre el punto de inyección de la corriente de impulso y un punto en un electrodo de referencia localizado a una distancia que no interfiera con la puesta a tierra. Es la relación punto a punto e instante a instante entre las ondas positivas y negativas de tensión y de corriente en un electrodo o cunductor de puesta a tierra. Impedancia al impulso: Zs Es el valor de la impedancia de impulso en un tiempo t=0+. Una expresión para la impedancia al impulso es



CLZs =

Resistencia de dispersión: Es el valor de la impedancia de impulso cuando ha alcanzado su valor de estado estacionario. En la Figura 4 observamos un ejemplo de la respuesta tipica de un contrapeso de 60 m, enterrado en suelos de diferente resistividad a una profundidad de 0,6 m, cuando se le inyecta un impulso de corriente.

Figura 4 Respuesta típica de un contrapeso

Para este caso en t = 0, la impedacia al impulso es 170 Ω, los puntos de cada curva representan la impedancia de impulso y aproximadamente en t=10 μS se tiene la resistencia en estado estacionario. Cuando la resistividad del suelo es muy alta, la resistencia de dispersión puede ser mayor que la impedancia al impulso. El propósito de un buen diseño de contrapesos es lograr que la resistencia de puesta a tierra sea lo suficientemente inferior a la impedancia inicial. Esto se logra seleccionando una longitud óptima del conductor de acuerdo con las propiedades eléctricas del suelo. Uno de los errores típicos de los ingenieros de diseño de puestas a tierra, es que se olvidan de la impedancia transitoria del contrapeso y solo se preocupan por reducir la resistencia en estado estacionario medida con telurómetros de baja frecuencia, sabiendo que la impedancia de impulso es una respuesta a alta frecuencia. Cuando se diseña una puesta a tierra con contrapesos se debe conocer lo mejor posible la resistividad del terreno, el PH, y el contenido promedio de humedad del suelo, porque este determina la permitividad relativa y por lo tanto la impedancia inicial. La experiencia ha demostrado que utilizar varios contrapesos es mejor que uno solo. En la Figura 5 tenemos un ejemplo de este caso. Los contrapesos están enterrados en un suelo de resistividad 2000 Ω.m, la permitividad relativa del


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN suelo se toma como 20 y la permeabilidad relativa para el suelo es uno. Con estos datos se simuló el comportamiento de los contrapesos con un software desarrollado por Seguridad Eléctrica para estudiar este tipo de puestas a tierra.

Figura 5 Contrapesos en diferentes configuraciones

En la Figura 6, tenemos la repuesta de las simulaciones, la curva superior corresponde a un solo contrapeso, la inferior corresponde a cuatro contrapesos. Es claro que utilizar más contrapesos disminuye la impedancia al impulso, aunque se mantiene el valor de resistencia de dispersión o de estado estacionario. También es claro que la impedancia al impulso se controla con la configuración seleccionada.

Figura 6 Simulación de las configuraciones de contrapesos Cuando es necesario obtener valores de resistencia de estado estacionario que cumplan con los requisitos de un cliente y con restricciones de espacio, se hace obligatorio el empleo de un suelo artificial como Favigel ®, desarrollado tanto para reducir la resistividad del suelo como para la protección de los electrodos.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Favigel ® se ha aplicado en muchas torres en Latinoamérica y se ha demostrado su confiabilidad a lo largo de estos últimos años. Con el propósito de mostrar como es el comportamiento de un contrapeso con suelo artificial, observemos las Figuras 7 y 8, suponiendo las mismas condiciones de los casos anteriores.

Figura 7 Contrapeso con suelo artificial

Figura 8 Simulación del contrapeso

El principal efecto del suelo artificial es reducir la impedancia de impulso rápidamente, por otro lado la reducción de la resistencia en estado estacionario alcanzada para este caso es del 50%. (En algunos casos se puede alcanzar el 90% de acuerdo con las condiciones propias de cada sitio). 3. PASOS PARA LOGRAR EXCELENTES PUESTAS A TIERRA 3.1. Determinación de los Parámetros

• Determinar la resistencia de puesta a tierra objetivo. (Resistencia menor o igual a 20 ohmios e impedancia inicial menor o igual a 80 ohmios)

• Establecer las tensiones de seguridad permitidas. (En las torres de transmisión no se establecen tensiones de seguridad debido a que son instalaciones de baja frecuencia de presencia de personal; no obstante las puestas a tierra son diseñadas bajo configuraciones que permiten dar un mayor control a la distribución de tensiones en la superficie y resistencias esperadas mucho menor que 20 ohmios)

• Definir la temperatura máxima del ambiente. (50º C) • Calcular la corriente de falla a tierra.



• Definir el máximo tiempo de despeje de la falla. (Menor o igual a 150 ms) • Revisión de planos de la instalación. • Determinar el área disponible para construir puestas a tierra. • Estudio de la resistividad del terreno, permitividad y pH. • Seleccionar parámetros de rayos.

3.2. Diseño

• Recopilar las normas y programas necesarios. • Definir geometría de la puesta a tierra. • Elegir el tipo de electrodo y su cantidad. • Definir profundidad de enterramiento del electrodo según el terreno. • Definir longitud de contrapesos. • Calcular calibre y longitud del conductor. • Calcular resistencia de puesta a tierra. • Ajustar valores.

Para lograr un diseño adecuado de la puesta a tierra para una línea de transmisión, se debe seguir el siguiente procedimiento En primer lugar determinar los parámetros del rayo para cada sitio en particular (Densidad de descargas a tierra, Nivel Ceráunico, Corriente absoluta promedio y Corriente máxima) y luego medir la resistividad aparente para modelar el suelo en dos o tres capas. Como segundo paso se debe estimar la permitividad relativa del suelo de acuerdo a las condiciones más críticas de humedad del suelo y a su vez medir el PH. Como tercer paso se debe estimar la longitud optima del conductor y la impedancia al impulso crítica. Dependiendo de las condiciones de espacio se diseña el o los contrapesos de tal forma que se tenga una mínima impedancia al impulso y un valor de resistencia de dispersión lo suficientemente bueno. Finalmente es recomendable diseñar la puesta a tierra de acuerdo con las condiciones particulares de cada sitio, un sistema diseñado en un lugar no funciona de la misma forma en otro, porque los parámetros de resistividad, humedad, PH y tipo de suelo son diferentes. También se sabe que los parámetros del rayo son espacios temporales, por lo tanto, el diseño de cada puesta a tierra es diferente en cada lugar.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 3.3. Análisis del Comportamiento

• Evaluar comportamiento transitorio. • Confrontar valores respecto a las especificaciones

3.4. Materiales y Cantidades de Obra

• Hacer listado de materiales. • Valorar materiales básicos y accesorios, equipos, herramientas y mano

de obra. • Elaborar el presupuesto definitivo.

3.5. Ejecución de Obra

• Nombrar el responsable directo. • Hacer cronograma. • Construir la puesta a tierra. • Levantar planos de lo construido o “As Built”.

3.6. Mediciones de Comprobación De resistencia de puesta a tierra bajo metodología de la IEEE 81. (Si el cable de guarda ha sido conectado es necesario utilizar un telurómetro de alta frecuencia) La principal función de las puestas a tierra es garantizar la seguridad de las personas, eso hace que en todo diseño, se fije una resistencia objetivo, sin embargo es claro que la configuración juega un papel muy importante. Por tanto, los valores que se presentan en la siguiente tabla, son recomendaciones, sin que necesariamente obedezcan a una meta obligatoria.

Tabla 1 Valores máximos de resistencia de puesta a tierra


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 3.7. Detalles Finales

• Terminar obra civil. • Señalizar • Certificar la puesta a tierra. • Liquidar la obra • Entregar garantías y memorias de cálculo. • Entregar plan de mantenimiento.

4. PUESTAS A TIERRA SUGERIDAS.

4.1. Convenciones

4.2. Rangos De Resistividad El rango de resistividades que se puede encontrar, al momento de dimensionar una puesta a tierra para torres de transmisión, es muy alto, por lo tanto se presentan modelamientos típicos para valores de resistividad diferentes.

• Menor o igual a 200 Ω.m • Mayor a 200 Ω.m y menor o igual a 500 Ω.m • Mayor a 500 Ω.m y menor o igual a 1000 Ω.m • Mayor a 1000 Ω.m y menor o igual a 1500 Ω.m • Mayor a 1500 Ω.m y menor o igual a 2000 Ω.m • Mayor a 2000 Ω.m y menor o igual a 3000 Ω.m (Terrenos rocosos,

areniscas y fácilmente excavables diferentes a las areniscas) • Mayor a 3000 Ω.m y menor o igual a 5000 Ω.m (Terrenos rocosos,

areniscas y fácilmente excavables diferentes a las areniscas) • Mayor a 5000 Ω.m y menor o igual a 10000 Ω.m (Terrenos rocosos,

areniscas y fácilmente excavables diferentes a las areniscas) • Mayor a 10000 Ω.m (Terrenos rocosos, areniscas y fácilmente excavables

diferentes a las areniscas).


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 4.3. CASO 1. Terrenos con bajo contenido de humedad – Permitividad = 5 4.3.1. Caso 1.1 Menor o igual a 200 Ω.m

Configuración

Modelo clasico

Resistividad Permitividad Longitud Profundidad T simulacion200 5 15 0.5 20

Capacidad Inductancia Conductancia Radio equivalente2.7526E-11 2.0136E-06 1.555E-02 5.050

4

Velocidad de Propagacion Tiempo de viaje 1.34E+08 1.12E-07

0.0 67.70.1 3.70.2 2.50.3 2.00.4 1.80.5 1.60.6 1.50.7 1.50.8 1.40.9 1.41.0 1.31.1 1.31.2 1.31.3 1.31.4 1.31.5 1.31.6 1.2

CALCULO DE LOS PARAMETROS DE UN CONTRAPESO

Datos Entrada

Datos Calculados

Impedancia inicial Z 1 Contrapeso

Resistencia Final 1 contrapeso

67.7 1.07

Impedancia inicial Z de acuerdo con el número

de contrapesos

Resistencia Final de acuerdo con el número

de contrapesos

Caracteristicas de la onda

270.4679426 4.29

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS

Impedancia de impulso

1

23

4

Numero de contrapesos

Figura 9 Resistividad menor o igual a 200 Ω.m - Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares



Modelo clasico



4


0.0 67.70.1 9.10.2 6.00.3 4.90.4 4.40.5 4.00.6 3.80.7 3.60.8 3.50.9 3.41.0 3.31.1 3.31.2 3.21.3 3.21.4 3.11.5 3.11.6 3.1


Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 2.68


de contrapesos


de contrapesos


270.4679426 10.72

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


4.3.2. Caso 1.2 Mayor a 200 Ω.m y menor o igual a 500 Ω.m Configuración

Figura 10 Resistividad mayor a 200 Ω.m y menor o igual a 500 Ω.m -Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con

características similares



Modelo clasico



4


0.0 67.70.1 17.20.2 11.60.3 9.50.4 8.50.5 7.90.6 7.40.7 7.10.8 6.90.9 6.71.0 6.61.1 6.51.2 6.41.3 6.31.4 6.21.5 6.21.6 6.1


Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 5.36


de contrapesos


de contrapesos


270.4679426 21.43

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4



Figura 11 Resistividad mayor a 500 Ω.m y menor o igual a 1000 Ω.m – Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con




Modelo clasico



4


0.0 67.70.1 23.20.2 16.20.3 13.60.4 12.20.5 11.40.6 10.80.7 10.40.8 10.10.9 9.91.0 9.71.1 9.51.2 9.41.3 9.31.4 9.21.5 9.11.6 9.0


Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 8.04


de contrapesos


de contrapesos


270.4679426 32.15

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 67.70.1 29.20.2 21.60.3 18.10.4 16.30.5 15.20.6 14.40.7 13.90.8 13.50.9 13.21.0 12.91.1 12.71.2 12.51.3 12.41.4 12.21.5 12.11.6 12.0

Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 10.72


de contrapesos


de contrapesos


270.4679426 42.87

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 70.20.1 36.10.2 27.10.3 22.70.4 20.50.5 19.20.6 18.30.7 17.70.8 17.20.9 16.81.0 16.51.1 16.21.2 16.01.3 15.91.4 15.71.5 15.61.6 15.5

Datos Entrada

Datos Calculados



70.2 13.88


de contrapesos


de contrapesos


280.2320337 55.52

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Figura 15 Electrodo “concret encased” en areniscas.

Figura 16 Electrodo “concret encased” en rocas.

Nota 1: En suelos fácilmente excavables diferente a las arenas tipo desierto, no se requiere utilizar mortero. Nota 2: Para el caso de areniscas (arenas tipo desierto), se requiere utilizar electrodos “concret encased” como el mostrado en la Figura 15: Nota 3: Para suelos altamente rocosos donde las excavaciones no son posibles manualmente, se deben utilizar electrodos “concret encased” como el mostrado en la Figura 16 y no se utilizarán electrodos tipo varilla.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 4.3.7. Caso 1.7 Mayor a 3000 Ω.m y menor o igual a 5000 Ω.m Configuración

Modelo clasico



4


0.0 77.00.1 48.20.2 37.40.3 31.40.4 27.60.5 25.00.6 23.30.7 22.20.8 21.30.9 20.61.0 20.01.1 19.61.2 19.21.3 18.91.4 18.61.5 18.31.6 18.1


Datos Entrada

Datos Calculados



77.0 15.24


de contrapesos


de contrapesos


307.5889079 60.94

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4



características similares.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Caso 1.8 Mayor a 5000 Ω.m y menor o igual a 10000 Ω.m Configuración

Modelo clasico



4


0.0 86.30.1 65.90.2 54.90.3 47.50.4 42.30.5 38.40.6 35.40.7 32.90.8 30.90.9 29.21.0 27.91.1 26.91.2 26.01.3 25.31.4 24.71.5 24.11.6 23.6

Datos Entrada

Datos Calculados



86.3 17.07


de contrapesos


de contrapesos


344.7098731 68.29

0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0

100.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4






Debido a la limitación del software, se hace el cálculo con 4 contrapesos de 60 m cada uno; como la impedancia inicial resultante es mas de 80 Ω, se decide que la configuración deben ser 6 contrapesos de 40 m cada uno, con el objeto de conseguir una impedancia transitoria inicial menor a 54 Ω. 4.3.8. Caso 1.9 Mayor a 10000 Ω.m Configuración



Modelo clasico



4


0.0 95.60.1 82.50.2 73.70.3 66.80.4 61.20.5 56.60.6 52.80.7 49.60.8 46.90.9 44.51.0 42.41.1 40.61.2 39.01.3 37.51.4 36.21.5 35.01.6 33.9


Datos Entrada

Datos Calculados



95.6 18.91


de contrapesos


de contrapesos


381.8308383 75.65

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


Figura 19 Resistividad mayor a 10000 Ω.m1,2,3

– Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares.



Modelo clasico



2


0.0 67.70.1 39.10.2 29.80.3 24.90.4 21.70.5 19.60.6 18.10.7 17.10.8 16.20.9 15.61.0 15.11.1 14.71.2 14.31.3 14.01.4 13.81.5 13.61.6 13.4


Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 10.72


de contrapesos


de contrapesos


135.2339713 21.43

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


4.4. CASO 2. Terrenos con mediano contenido de humedad – Permitividad = 20

4.4.1. Caso 2.1 Menor o igual a 200 Ω.m Configuración

Figura 20 Resistividad menor o igual a 200 Ω.m



Modelo clasico



4


0.0 67.70.1 39.10.2 29.80.3 24.90.4 21.70.5 19.60.6 18.10.7 17.10.8 16.20.9 15.61.0 15.11.1 14.71.2 14.31.3 14.01.4 13.81.5 13.61.6 13.4


Datos Entrada

Datos Calculados



67.7 13.40


de contrapesos


de contrapesos


135.2339713 53.59

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4



Figura 21 Resistividad mayor a 200 Ω.m y menor o igual a 500 Ω.m


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 4.4.3. Caso 2.3 Mayor a 500 Ω.m y menor o igual a 1000 Ω.m Configuración

Modelo clasico



4


0.0 33.90.1 19.50.2 14.90.3 12.40.4 10.90.5 9.80.6 9.10.7 8.50.8 8.10.9 7.81.0 7.61.1 7.31.2 7.21.3 7.01.4 6.91.5 6.81.6 6.7


Datos Entrada

Datos Calculados



33.9 5.36


de contrapesos


de contrapesos


135.2339713 21.43

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4









Modelo clasico



4


0.0 33.90.1 22.50.2 17.80.3 15.00.4 13.20.5 12.10.6 11.40.7 10.90.8 10.50.9 10.21.0 10.01.1 9.81.2 9.71.3 9.51.4 9.41.5 9.31.6 9.2

Datos Entrada

Datos Calculados



33.9 8.04


de contrapesos


de contrapesos


135.2339713 32.15

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4




Modelo clasico



4


0.0 33.90.1 24.50.2 19.90.3 17.00.4 15.00.5 14.00.6 13.50.7 13.10.8 12.80.9 12.61.0 12.41.1 12.21.2 12.11.3 12.01.4 11.91.5 11.81.6 11.7

Datos Entrada

Datos Calculados



33.9 10.72


de contrapesos


de contrapesos


135.2339713 42.87

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 35.10.1 27.90.2 23.70.3 20.70.4 18.60.5 16.90.6 16.30.7 16.10.8 15.90.9 15.61.0 15.51.1 15.31.2 15.21.3 15.11.4 15.01.5 14.91.6 14.8

Datos Entrada

Datos Calculados



35.1 13.88


de contrapesos


de contrapesos


140.1160168 55.52

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4




– Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares.



Modelo clasico



4


0.0 39.50.1 34.20.2 30.50.3 27.60.4 25.30.5 23.40.6 21.80.7 20.50.8 19.40.9 18.41.0 17.61.1 17.11.2 16.81.3 16.61.4 16.31.5 16.21.6 16.0


Datos Entrada

Datos Calculados



39.5 13.41


de contrapesos


de contrapesos


157.9221646 53.64

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 43.20.1 39.90.2 37.50.3 35.40.4 33.50.5 31.80.6 30.20.7 28.90.8 27.70.9 26.61.0 25.51.1 24.61.2 23.81.3 23.01.4 22.31.5 21.61.6 21.0


Datos Entrada

Datos Calculados



43.2 17.07


de contrapesos


de contrapesos


172.3549365 68.29

0.05.0

10.015.020.025.030.035.040.045.050.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







4.4.9. Caso 2.9 Mayor a 10000 Ω.m Configuración



Modelo clasico



4


0.0 48.80.1 46.60.2 45.30.3 43.90.4 42.50.5 41.30.6 40.10.7 39.00.8 37.90.9 36.91.0 35.91.1 35.01.2 34.21.3 33.41.4 32.61.5 31.91.6 31.2


Datos Entrada

Datos Calculados



48.8 16.56


de contrapesos


de contrapesos


195.0431298 66.24

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


Figura 28 Resistividad mayor a 10000 Ω.m– Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares.



Modelo clasico



2


0.0 55.30.1 36.80.2 29.00.3 24.50.4 21.60.5 19.40.6 17.90.7 16.90.8 16.10.9 15.51.0 15.01.1 14.61.2 14.21.3 13.91.4 13.71.5 13.51.6 13.3


Datos Entrada

Datos Calculados



55.3 10.72


de contrapesos


de contrapesos


110.4180752 21.43

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


Debido a la limitación del software, se hace el cálculo con 4 contrapesos de 140 m cada uno; no obstante por condiciones de construcción se decide que la configuración deben ser 8 contrapesos de 70 m cada uno, Consiguiendo así una impedancia transitoria inicial menor a 22 Ω. 4.5. CASO 3 . Terrenos con alto contenido de humedad – Permitividad = 30 4.5.1. Caso 3.1 Menor o igual a 200 Ω.m Configuración

Figura 29 Resistividad menor o igual a 200 Ω.m



Modelo clasico



4


0.0 55.30.1 36.80.2 29.00.3 24.50.4 21.60.5 19.40.6 17.90.7 16.90.8 16.10.9 15.51.0 15.01.1 14.61.2 14.21.3 13.91.4 13.71.5 13.51.6 13.3


Datos Entrada

Datos Calculados



55.3 13.40


de contrapesos


de contrapesos


110.4180752 53.59

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4






Modelo clasico



4


0.0 32.30.1 29.20.2 26.90.3 25.00.4 23.40.5 21.90.6 20.70.7 19.60.8 18.70.9 17.81.0 17.11.1 16.41.2 15.81.3 15.41.4 15.31.5 15.31.6 15.2


Datos Entrada

Datos Calculados



32.3 13.41


de contrapesos


de contrapesos


128.9429074 53.64

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4






Modelo clasico



4


0.0 27.60.1 20.60.2 17.00.3 14.60.4 12.90.5 11.70.6 11.00.7 10.60.8 10.30.9 10.01.0 9.81.1 9.61.2 9.51.3 9.41.4 9.31.5 9.21.6 9.1


Datos Entrada

Datos Calculados



27.6 8.04


de contrapesos


de contrapesos


110.4180752 32.15

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


4.5.4. Caso 3.4 Mayor a 1000 Ω.m y menor o igual a 1500 Ω.m

Configuración

Figura 32 Resistividad mayor a 1000 Ω.m y menor o igual a 1500 Ω.m –

Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares



Modelo clasico



4


0.0 27.60.1 22.00.2 18.70.3 16.30.4 14.60.5 13.30.6 12.80.7 12.50.8 12.40.9 12.21.0 12.01.1 11.91.2 11.81.3 11.71.4 11.61.5 11.61.6 11.5

10.72


de contrapesos


de contrapesos


110.4180752 42.87


Datos Entrada

Datos Calculados



27.6

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 29.20.1 24.90.2 22.00.3 19.80.4 18.00.5 16.60.6 15.50.7 14.50.8 14.30.9 14.21.0 14.21.1 14.11.2 14.01.3 13.81.4 13.71.5 13.71.6 13.6

12.74


de contrapesos


de contrapesos


116.7077903 50.97


Datos Entrada

Datos Calculados



29.2

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


4.5.6. Caso 3.6 Mayor a 2000 Ω.m y menor o igual a 3000 Ω.m

Configuración





Modelo clasico



4


0.0 32.30.1 29.20.2 26.90.3 25.00.4 23.40.5 21.90.6 20.70.7 19.60.8 18.70.9 17.81.0 17.11.1 16.41.2 15.81.3 15.41.4 15.31.5 15.31.6 15.2

13.41


de contrapesos


de contrapesos


128.9429074 53.64

Datos Entrada

Datos Calculados



32.3

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







Modelo clasico



4


0.0 36.10.1 34.10.2 32.70.3 31.40.4 30.20.5 29.10.6 28.00.7 27.00.8 26.10.9 25.31.0 24.51.1 23.81.2 23.11.3 22.51.4 21.91.5 21.31.6 20.8

14.99


de contrapesos


de contrapesos


144.097478 59.94


Datos Entrada

Datos Calculados



36.1

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4







4.5.9. Caso 3.9 Mayor a 10000 Ω.m Configuración



Modelo clasico



4


0.0 39.90.1 38.50.2 37.80.3 37.00.4 36.20.5 35.50.6 34.80.7 34.10.8 33.40.9 32.71.0 32.11.1 31.51.2 30.91.3 30.41.4 29.81.5 29.31.6 28.8

16.56


de contrapesos


de contrapesos


159.2520486 66.24


Datos Entrada

Datos Calculados



39.9

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

Impe

danc

ia

Tiempo en μS


1

23

4


Figura 37 Resistividad mayor a 10000 Ω.m – Requiere la utilización de suelo artificial FAVIGEL o uno con características similares.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 5. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LOS SUELOS ARTIFICIALES Los suelos artificiales son compuestos preparados industrialmente, de baja resistividad, para potenciar la conductividad de un electrodo enterrado. Aunque el tema y su desarrollo se considera novedoso en el mundo entero y aún no existen normas sobre el mismo, a continuación se recopilan las principales características que deben cumplir y algunos parámetros importantes para su elección: a. Uno de los criterios principales de evaluación de un suelo artificial es que tenga baja resistividad, puesto que va a reemplazar un suelo donde la resistividad es alta. En la evaluación de resistividad, hay muchos aspectos a considerar, como que no sufra alteraciones ante diferentes niveles de corriente o variaciones de temperatura. Conclusión: Se debe exigir que la resistividad sea menor de 1 Ω.m. b. El pH es un parámetro muy importante, por ejemplo el cobre presenta dos zonas de alta corrosión; en medio ácido (pH < 5) y alcalinos fuertes (pH > 11,6). Luego si el medio donde quede enterrado el cobre está entre estos valores, el metal queda en una región de pasivación, es decir que dispone del oxígeno necesario para mantener su capa protectora de óxido. Conclusión: se debe exigir que el pH sea mayor o igual a 7 pero menor a 10. c. Tema especial es el relacionado con la humedad relativa porque deben considerarse dos clases: La del producto que se le entrega al usuario y la de ensayos. Respecto a la última, se ha discutido siempre si debe darse en porcentaje del volumen o del peso. Actualmente todo indica que debe tomarse en peso. Por otro lado, se tiene que cada material trae de fábrica, una HUMEDAD RELATIVA MEDIA (HRM); pero debe tomarse una HUMEDAD MÍNIMA PARA ENSAYOS (HME), que debe considerar el LÍMITE PLÁSTICO (LP) y el LÍMITE LÍQUIDO (LL) ya que todos los suelos artificiales se basan en retención de humedad para su funcionamiento, luego no tiene sentido solicitar ensayos a productos secos, salvo que su condición de trabajo sea ésta. Conclusión: Debe exigirse el ensayo que garanticen un producto “seco” con una Humedad Relativa Media que no pase del 10% para que ningún fabricante “venda” agua. d. La Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC) es una expresión del número de sitios de adsorción de cationes por unidad de peso del suelo. La capacidad de intercambio de cationes puede ser definida como “la medida de la cantidad de cargas negativas del suelo”. La CIC se expresa en miliequivalentes/100 gramos de suelo secado al horno. Se requiere con el fin de


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN conocer la facilidad de migración de un material. Conclusión: debe exigirse que la CIC sea mayor de 30. e. Cuando se presentan fallas a tierra, se alcanzan temperaturas tan altas que pueden superar la de fusión del cobre (1080° C). Considerando que en la naturaleza hay suelos que se funden a 250 °C, se concluye que un suelo artificial debe tener una temperatura de fusión superior a 1100 °C. f. Es un elemento que estará en contacto directo con la naturaleza, por lo tanto, no debe contaminar ni altera el suelo en forma negativa, debe guardar armonía con el entorno y no presentar riesgo de toxicidad para quienes lo manipulan o están cerca de él, en conclusión debe exigirse un certificado de no toxicidad y no contamínate al medio ambiente, según norma. g. Solubilidad. Con el fin de que el material no se lixivie, debe exigirse un ensayo de insolubilidad en agua. h. Ensayos

• De resistividad (con corriente continua, corriente alterna a 60 Hz y ondas

tipo rayo de alta corriente. • De no toxicidad • De estabilidad

a. Resistividad vs. Temperatura. b. Resistividad vs. Corriente de 60 Hz. c. Impedancia vs. frecuencia.

• De pH • Permitividad • Capacidad de intercambio catiónico • Calor específico • Temperatura de fusión

i. Ensayos opcionales

• Permitividad magnética • Conductividad térmica • Porosidad • Tixotropía • Curva de polarización. • Grado de saturación • Determinar el circuito equivalente • Poblaciones microbiológicas.



Tabla 2 PARÁMETROS A CONSIDERAR AL SELECCIONAR UN SUELO ARTIFICIAL

PARÁMETRO CRITERIO DE ACEPTACIÓN CUMPLE

NO CUMPLE

1. Resistividad Menor de 1 Ω.m

2. Anticorrosivo (pH) Mayor o igual a 7 pero menor a 10

3. Humedad relativa Menor del 10%

4. Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)

mayor de 30

5. Temperatura de fusión Superior a 1100 °C.

6. Seguridad, Toxicidad y contaminación

No tóxico y no contaminante

7. Solubilidad Insoluble en agua

8. Tixotropía Ensayo del paso de coloidal a líquido y viceversa

9. Densidad Menor de 1 gr/cm3


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 6. CARACTERÍSTICAS DEL SUELO ARTIFICIAL FAVIGEL:

Tabla 3 Características del suelo artificial FAVIGEL®

USO PRINCIPAL: Reducir y mantener la resistencia de una puesta atierra.

RESISTIVIDAD: 0,5 Ω-m (humedecida) PH: 7,0 EMBALAJE: Dosis de 25 kg – empaque en polipropileno FAMILIA QUIMICA: Talco CALOR ESPECIFICO 1,02096 J/g °C

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO 36,4 COLOR: CREMA PALIDO DENSIDAD 0,91 gr/cm3 ESTADO FISICO: POLVO DE CONSISTENCIA TALCO HUMEDAD RELATIVA 8%INDICE DE PLASTICIDAD: 21LIMITE LÍQUIDO: 78,7 % LIMITE PLASTICO: 56%OLOR: NO PERMITIVIDAD RELATIVA: 16PUNTO DE FUSION: 1300 ºC RESISTIVIDAD: 0,5 Ω-m (humedecida) SOLUBILIDAD EN AGUA: ALTA TEMPERATURA CRITICA: 1100 ºC TEMPERATURA DE DESCOMPOSICION: 1300 ºC VISCOSIDAD: ALTA El suelo artificial se aplica una dosis por cada 6 m de cable o por cada electrodo tipo varilla. 7. ESPECIFICACIONES PARA CONSTRUCCIÓN • Los conductores horizontales deben quedar a 50 cm bajo la tierra a menos que se haya especificado otro valor como en el caso de los electrodos “concret encased”. • Las cabezas de los electrodos tipo varilla deben quedar a una profundidad mínima de 40 cm. • Con el objeto de reducir las resistencias de contacto, para las conexiones se debe emplear soldadura exotérmica o conectores que cumplen con las recomendaciones de las normas IEC 60364-5-54 / 542.3.2 o la IEEE-837.


PUESTAS A TIERRA PARA TORRES DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN • El conductor debe ser cable de cobre 7 hilos con un área mayor o igual a 50 mm2, o acero recubierto con cobre por el método de electrodepositación (no utilizar ACSR, aluminio o algunas de sus aleaciones) con un área mayor o igual a 70 mm2, de acuerdo con las indicaciones de la IEC 62305-4. Otra alternativa en cuanto al cable es la utilización de cable galvanizado 95 mm2. • Los electrodos tipo varilla serán en cobre sólido o acero recubierto con cobre por el método de electrodepositación y tendrán un diámetro de 5/8” y una longitud de 2,4 m. • Para aplicación del suelo artificial marca Favigel se recomienda seguir las indicaciones de las Figuras 38 y 39.

Figura 38 Instalación de suelo artificial con cable horizontal

Figura 39 Instalación de suelo artificial en electrodo tipo varilla



• A continuación se presentan fotos típicas en la construcción de una puesta a tierra.

Figura 40 Soldadura exotérmica

Figura 41 Electrodos tipo cable y tipo varilla con FAVIGEL sin humectar.



Figura 42 Puestas a tierra “Concrete Encased” para torres instaladas sobre roca.

8. BIBLIOGRAFÍA

ANSI/IEEE 80 – 2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding. ANSI/IEEE Std 142-1982: Recommended Practice for Grounding of Industrial

and Commercial power Systems. ANSI/IEEE Std 81 - 1983: Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground

Impedance. ANSI/IEEE Std 837-1989: Std for Qualifyng Permanent Connections used in

Substation Grounding ANSI/UL 467 - 1984: Standard for Grounding and Bonding Equipment. ANSI/IEEE 32-1972 (R1990) Standard Requirements, Terminology and Test

Procedures for Neutral Grounding Device (ANSI) BS 7430: 1998 Code of Practice for Earthing. IEC 61000-5-2 (1997-11) Electromagnetic compatibility part 5: Instalation

and mitigation guidelines - section two: Earthing and cabling. IEC 364-3 (1993 ) Electrical Installations of Buildings. Part 3. IEC 364-3 (1994 ) Electrical Installations of Buildings. Part 3. IEC 364-5-54 (1980 ) Electrical Installations of Buildings. Chapter 54.

Earthing arrangements and protective conductors. IEC 364-5-548 (1996) Electrical Installations of Buildings-Part 5. IEC 61557-1/9 Electrical Safety in low Voltage Distribution Systems up to

1000 V a.c. and 1500 V d.c.- Equipment for Testing, Measuring of Protective Measures.

IEC 62305 SERIE “PROTECTION AGAINST LIGHTNING” IEC: 77B.WG2: Installation and mitigation guidelines: “Earthing and

bonding”.



IEEE STD 81-2 – 1991. Guide for Measurement of Impedance and Safety Characteristics of Large, Extended or Interconnected Grounding System.

IEEE Standard 1048 - 1990: Guide for Protective Grounding of Power Lines. IEEE STD 367 - 1979: Guide for the Maximun Electric Power Station Ground

Potencial Rise. IEEE STD 665 - 1995: Standard for Generating Station Grounding. KSC - STD-E-0012c-1994 Bonding and Grounding, Standard. NFPA 70- 2008: National Electric Code (NEC). NFPA 75 - 1995. Protección de Equipos de Computación Electrónicos/Equipos

Procesadores de Datos 1992. NTC 2050 (1999) Código Eléctrico Colombiano. NTC 2206 - 1986 Electrotecnia. Equipo de Conexión y Puesta a Tierra. NTC 2155 (1986) Conectores eléctricos de potencia para subestaciones. NTC 4171 (1997) Telecomunicaciones. Nueva Tecnologías. Requisitos para la

conexión y continuidad de tierra para telecomunicaciones en construcciones comerciales.

NTC 4628. Calificación de Conexiones Permanentes Usadas en Puestas a Tierra en Subestaciones.

TIA/EIA SP-607-A: Commercial Building grounding and Bonding requirements for Telecommunications (August 1994).

VDE 0141 (1964), Regulation for Earthings in A.C. Installations with Rated Voltage above 1 kV.

A.P. Sakis, Meliopoulos. Power System Grounding and Transients. Sunde, D. Erling. Earth Condcution Effects in Transmission Systems. Chowdhuri, Pritindra. Electromagnetic Transients in Power Systems. Greenwood, Allan. Electrical Transients in Power Systems. Mardiguian, Michel. Troubleshooting Techniques. Torres, Horacio. Protección contra Rayos. 2008 Casas, Favio. TIERRAS, Soporte de la Seguridad Eléctrica, 2008.

puestas a tierra para torres de transmisión

Documents