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Manera de presentar informe de puesta a tierra
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EVALUACIÓN Y DIAGNÓSTICO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B” A 115 kV DE EDELCA
W.J. LEZAMA* H.R. GOMEZ
EDELCA Libre Ejercicio Profesional Venezuela Venezuela
Resumen – El trabajo representa los resultados obtenidos al evaluar la malla de puesta a tierra
de la S/E Parcelamiento Industrial “B” a 115 kV de EDELCA, la cual tiene 30 año de haber sido puesta en
servicio, mediante Inspecciones Visuales, Pruebas de Campo y Simulaciones utilizando los módulos RESAP,
AMPACIDAD, MALT y HIFREQ del paquete de Software CDEGS, la metodología utilizada fue una
investigación no experimental de tipo evaluativo y analítica, los valores obtenidos de los parámetros tales
como resistencia de puesta a tierra, aislamiento galvánico, voltaje de seguridad (toque y paso), gradiente de
potencial que caracterizan a la malla de puesta a tierra, obtenidos mediante las pruebas y mediciones
aplicadas que fueron posteriormente convalidados por simulaciones computacionales. Los resultados
obtenidos producto de la evaluación de la malla fueron satisfactorios y dentro los valores recomendados
por la norma IEE 80 AÑO 2000, Además se verifico el buen estado del conductor, barras y las soldaduras
exotérmicas que forman la malla lo cual garantiza un buen funcionamiento de la malla de puesta a tierra.
Palabras clave: Evaluación – Diagnóstico – Mediciones –Malla de puesta a tierra – Simulaciones
computacionales
1 INTRODUCCIÓN
La subestación Parcelamiento Industrial “B” (PIB) a 115 kV perteneciente a EDELCA, se encuentra ubicada
en la zona Industrial de Matanza, en Puerto Ordaz Estado Bolívar, Venezuela; la misma tiene como
finalidad proveer de energía eléctrica a empresas básicas (SIDETUR, FERROVEN, BAUXILUM y
PLANTA DE PELLA), esta subestación se encuentra operativa desde el año 1976 y es del tipo de doble
barra con acoplador alimentada por la subestación eléctrica Guayana con dos línea a 115 kV. En la
actualidad la subestación Parcelamiento Industrial “B” a 115 kV, tiene 30 años en servicio, lo cual implica
que probablemente los equipos y sistemas de esta subestación eléctrica, estén cumpliendo su tiempo de vida
útil. El sistema de puesta a tierra de la S/E, también se ve directamente afectado por el tiempo de servicio.
Los sistema de puesta a tierra en las subestaciones eléctricas garantiza las condiciones de seguridad de los
seres vivos (shock eléctrico y muerte por electrocución), permiten a los equipos de protección despejar
rápidamente las fallas (minimizar los daños en el sistema), sirven de referencia al sistema eléctrico, conducen
y disipan las corrientes de falla. Debido a los años en servicios que tiene la subestación la evaluación y
diagnóstico del sistema de puesta a tierra será de gran importancia para obtener información y datos
actuales, verificando de esta manera si cumple con las normas y estándares actuales. Para la evaluación y
diagnóstico de la malla de tierra fue necesarios la verificación de ciertos parámetros entre los cuales se
encuentran: resistividad del terreno, resistencia de puesta a tierra, continuidad galvánica entre otros ; también
con los datos actuales del sistema eléctrico de potencia de la subestación, asistido por un software para el
cálculo de los parámetros de la malla de tierra se obtuvo información muy aproximada sobre el estado actual
de la subestación en estudio, para verificar el estado en que se encuentra el sistema de puesta a tierra y así
determinar si es necesario la mejora del actual o el diseño de uno nuevo. El estudio realizado fue evaluativo
y analítico ya que mediante las pruebas eléctricas de campo se evaluó la condición actual del sistema de
XIII ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO
REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ
24 al 28 de mayo de 2009
Comité de Estudio B3 - Subestaciones
XIII/PI-B3 -103 Puerto Iguazú
Argentina
2
puesta a tierra de la S/E y también se realizó un análisis con datos actuales del sistema eléctrico de potencia
de esta S/E y una investigación documental, ya que se utilizaron informe técnicos, parámetros
estandarizados, normas, característica del diseño del sistema de puesta a tierra y planos, para lograr con éxito
el desarrollo de la investigación
2 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA SUBESTACIÓN PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B”
Para realizar la evaluación del sistema de puesta a tierra (SPT) de la subestación se realizó una inspección
visual considerando excavaciones para verificar el estado de los conductores, barras y soldadura exotérmica
que compone la malla de tierra y también fue necesario definir un programa de mediciones de campo de
diversos parámetros, entre los que destacan la resistividad específica del terreno asociado a la subestación, la
resistencia de puesta a tierra (RPT) de la malla y la continuidad galvánica entre los equipos y estructuras con
respecto a la malla de puesta a tierra. Todas estas mediciones se realizaron con el fin de verificar que dichos
parámetros se encuentren dentro de los estándares establecidos por la IEEE Std 81-1983 y IEEE Std 80-
2000.
2.1 Inspección Visual
La inspección visual se realizó en dos etapas, primeramente se realizaron las excavaciones para poder
verificar el estado actual de los conductores de la malla, su conexiones, soldadura exotérmica y barras, luego
se realizó inspección visual de toda la estructura de la S/E, sala de mando, poste, cerca perimetral y cualquier
equipo que se encuentre dentro el área de la misma, tal como se muestran en la figura.1
Fig. 1 Excavaciones que muestra los conductores, barras y soldadura de la malla de tierra de la S/E
De la inspección se pudo observar lo siguiente.
3
• Todas las estructuras metálicas que se encuentra en la S/E, tienen su puestas a tierra coincidiendo
con las indicada en el plano de construcción de la malla de tierra
• Las conexiones de puesta a tierra de los equipos y estructuras se encuentran en buen estado
• Existen puesta a tierra de la cerca metálica que no llegan en su recorrido al último pelo del alambre
de púa
• En las excavaciones realizadas se observaron en buen estado la puesta a tierra de profundidad, las
soldadura exotérmica y los conductores que conforman la malla de tierra de la S/E
.
2.2 Medición de la resistividad específica del terreno
El método utilizado para la medición de la resistividad específica del terreno asociado a la subestación
Parcelamiento Industrial “B” fue el método de los cuatro (4) electrodos o método de Wenner, los resultados
se muestran en la Figura Nº2.
Fig. Nº 2 Resistividad específica del suelo en la subestación
2.3 Medición de la resistencia de puesta a tierra
Para medir la RPT de la malla de la subestación se utilizó el método de la caída de potencial o método de los
tres (3) electrodos, él cual es una particularización del método de inyección de corriente, se hicieron cuatro
mediciones de resistencia y luego se tomo el promedio de ellas obteniendo un valor de 1.33 Ω los resultados
que se muestran en la Tabla Nº I.
TABLA I VALORES DE RESISTENCIA MEDIDO
Punto de referencia R Medido en Ω (FLUKE 1625)
Cerca Perimetral 1.50
Poste 1.14
Cerca Perimetral 1.52
Poste 1.17
2.3 Medición de la continuidad galvánica
El objetivo principal de esta medición, fue el de verificar que los valores de continuidad galvánica entre los
equipos y la malla de puesta a tierra de la subestación, se encuentren por debajo de los estándares
establecidos por la IEEE Std 81-1983, la cual establece que el valor máximo permitido para este tipo de
instalaciones es de 0,05Ω. En la Tabla Nº II se muestran valores de continuidad galvánica obtenidos en
mediciones realizadas en dichas Subestación.
4
TABLA II CONTINUIDAD GALVANICA
PROTOCOLO DE PRUEBA DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA
MEDICIÓN DE LA CONTINUIDAD GALVÁNICA ENTRE EQUIPOS
INSTALACIÓN:
Subestación PIB a 115 kV
SITIO DE MEDICIÓN: FECHA: 14 – 03 - 2007
Punto de
Referencia
Punto de Estructura y/o
Bajante Fases A, B, C
R medida
(Ω)
R Int Conduct. (Ω)
R real = R Int– R me (Ω)
R requerida (Ω )
PORTICO # PORTICO # 2 1.305 1.361 0.056 0.05
1.302 1.361 0.059 0.05
PORTICO # 3 1.306 1.361 0.055 0.05
1.308 1.361 0.053 0.05
PORTICO # 4 1.314 1.361 0.047 0.05
1.312 1.361 0.049 0.05
PORTICO # 5 1.323 1.361 0.038 0.05
1.323 1.361 0.038 0.05
PORTICO # INTERRUPTO H 705 1.291 1.361 0.07 0.05
1.319 1.361 0.042 0.05
1.319 1.36 0.042 0.05
SECCIONADOR H 703 1.334 1.361 0.027 0.05
TC ASOCIADO AL H 705 1.315 1.361 0.04 0.05
1.312 1.361 0.049 0.05
1.309 1.361 0.052 0.05
3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PIB A 115 Kv
Debido a que no se contaba con información del Sistema de Puesta a Tierra de la Subestación, a excepto de
los planos de construcción de la malla, y luego de realizar las mediciones de resistividad y resistencia de
puesta tierra se realizaron simulaciones con el programa CDEGS para validar las mediciones y evaluar la
malla de tierra.
3.1 Comportamiento permanente del Sistema de Puesta a Tierra
Se utilizaron los módulos RESAP, MALT, AMPACIDAD, y HIFREQ del programa CDEGS, para
determinar los que caracterizan a la malla de tierra de la S/E, tales como; la resistividad específica del
terreno, la resistencia de puesta a tierra, el calibre del conductor principal, los potenciales de toque, de paso y
el GPR de la malla de puesta a tierra. Con el módulo RESAP se simuló la resistividad del terreno y la curva
ajustada de la resistividad aparente, ver fig.2, fig.3
Fig.3 Muestra las ventanas del módulo RESAP
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Luego se realizó la simulación en régimen permanente para obtener los límites de seguridad para las
tensiones de paso y toque y gradiente del potencial utilizando el módulo MALT, lo cual se logra modelando
la malla de tierra de la S/E punto a punto y se analiza la peor condición de falla posible, la cual es para
ICC = 19,529, en la fig.4, se aprecia el modelaje de la malla. Los resultados obtenidos al correr el programa
utilizando los los párametros predefinidos en el módulo MALT de acuerdo a la norma IEEE80-2000 fueron
para una persona de 70 kg:
• Tensión de toque = 511,3 V
• Tensión de paso = 1552,9 V
En la fig.5, se observa la pantalla de seguridad, donde se muestra los valores anteriormente señalado
Fig.4.Módulo MALT, modelaje de la malla de la S/E Fig.5 . Pantalla de seguridad (SAFETY)
En fig.6 y 7 , se muestan las gráficas correspondientes en dos dimensiones (2D) y en tres dimensiones (3D)
de la tensión de toque en la S/E.
Fig.6. Tensión de toque en 2D. Fig.7. Tensión de toque en 3D
El reporte de la simulación dan como valores máximo permisible de la tensión de toque,para un tiempo de
despeje de falla de 0,5 segundo un valor de 1262,8 V. Esto quiere decir que el límite de seguridad es menor
que el valor máximo permisible y por tanto cumple con norma IEEE 80 -2000. En la gráfica de 2D se aprecia
que el mínimo valor es de 2021 V, y el voltaje de toque de seguridad es de 511,3 V, y en la gráfica de 3D se
muestra como se comporta la S/E con la tensión de toque, se observa que en todo momento se mantiene
uniforme en toda la malla. El análisis es similar para la tensión de paso, se puede observar en las fig. 8 y 9,
para la tensión de paso el límite maxímo permisible con un tiempo de despeje de falla de 0,5 segundo es de
4835,1 V, y el límite de seguridad en este caso es de 1552,9 V, lo que quiere decir que este se encuentra por
debajo y de esta manera cumpliendo con la norma IEEE 80-2000
6
Fig.8. Tensión de paso en 2D Fig. 9. Tensión de paso en 3D
En las gráficas de las fig. 8 y 9, se puede observar que dentro de la S/E se mantiene los valores de tensión por
debajo de lo permitidos; y en los bordes aumenta un poco pero siempre por debajo de los límites.
Los Gradientes de potencial (GPR) se muestran en la fig. 10 Y 11 en 2D y 3D y se observa que en la peor
condición de falla para la cual fue diseñada la S/E, los potenciales se elevan todo por igual, evitando de esta
maneras que se produzcan descargas en forma de arcos eléctricos entre cualquieras de los objetos metálicos
que se encuentra instalados dentro de la S/E.
Fig.10.Gradiente de potencial (GPR) en 2D Fig.11. Gradiente de potencial (GPR) en 3D
El programa CDGS en su módulo MALT, posee una función llamada AMPACITY, la cual mediante 3
opciones, con los datos del conductor y de la corriente de falla Icc, se obtiene el valor del mínimo conductor
requerido de acuerdo a la norma IEEE 80-2000, el valor del incremento de la corriente simétrica en
presencia de la compensación DC, esto es debido a la componente offset DC en la corriente de falla y
causará al conductor un aumento de temperatura para la mismas condiciones de falla( duración y magnitud),
y dando el valor del máximo aumento de temperatura en el conductor al final de la falla, en la tabla III se
muestra el resultado de la simulación
TABLA. III. VALORES DE LA FUNCIÓN AMPACITY
Calibre mínimo del conductor principal (malla
principal)
117,8377 MCM
AMPACITY RMS 70,0295 kA, sin dc offset
68,2427 kA , con dc offset
Temperatura final 94,12°
De acuerdo a lo plano de construcción de la S/E, el calibre del conductor principal utilizado para la
construcción de la malla es de 350 MCM de cobre trenzado. De acuerdo a los valores arrojados por el
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programa y tipo de conductor que se indica en el plano este se encuentra bien dimensionado, ya que excede
el valor mínimo en los tres aspectos evaluados
3.2 Comportamiento transitorio del Sistema de Puesta a Tierra.
El sistema eléctrico cuando pasa de estado a otro se genera, por razón del cambio, un transitorio que se
manifiesta como una sobretensión o una sobre corriente que se propaga a través de las redes eléctricas y
pueden llegar a ocasionar daños. Los transitorios electromagnéticos más comunes son aquellos que tienen
origen en las maniobras en las fallas y en las descargas atmosféricas. Para la simulación del régimen
transitorio del SPT de la S/E, se utilizó el módulo HIFREQ para modelar dos barras que alimenta la S/E
aplicándole una condición extrema de sobrecorriente (simulando un impacto de rayo de gran magnitud) a 30
kA, y a una frecuencia de 40 Khz, en las gráficas de las fig. 12. Muestran en 2D y 3D el comportamiento
del Sistema de Puesta Tierra y en la gráfica se puede apreciar que para la condición transitoria extrema el
GPR se eleva a su máximo valor en la parte donde se ubica las barras I y II, mientras que en el resto de la
malla la tensión se mantiene uniforme
. Barra II
Fig.12 Elevación del gradiente de potencial en condiciones extremas
El voltaje de paso y toque máximo permisible determinado en la simulación, tomando en cuenta que una
persona se encuentra sobre una capa superficial de grava son: 3346,7 V y 1028,2 V, respectivamente lo que
quiere decir que para este caso extremo los límites de seguridad para el voltaje de toque 511,3 V y para el
voltaje de paso 1552,9 V son menores que los, máximos permisibles y por lo tanto cumple con las normas
IEEE 80-2000.
4 TABLA DE ÁNALISIS COMPARATIVO Y DE VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B” MEDIANTE LA NORMA IEEE 80-2000 Y SIMULACIÓN COMPUTACIONAL
TABLA.IV. ÁNALISIS COMPARATIVO
Parámetro de la
malla Malla actual
Simulación
CDEGS
Cumple IEEE
80-2000 Observaciones
Conductor de la
malla
Cobre duro
trenzado 350
MCM, 97% de
conductividad
Cobre duro trenzado
118 MCM, módulo
AMPACITY
Cumple con los
requerimientos de
la norma
Puede conducir un
incremento del 60%
de Icc El estado
del conductor es
bueno
Resistencia de
puesta a tierra
1.3Ω Valor
promedio medido.
1.9 Ω, Computo
Módulo MALT
Cumple, se
puede considerar
convalidados
Esta ligeramente
mayor que 1Ω valor
requerido por
EDELCA
8
Resistividad 636 Ω-m
(promedio)
P1 = 838,4877 Ω-m;
P2 =286,9427 Ω-m;
h= 6,093; módulo
RESAP
Los valores
obtenidos son muy
aproximados
GPR
25387,7 V,
Calculado: Icc *Rg
; Icc= 20kA
48321 V, Computo
módulo MALT
El GPR, es basado
entre dos punto
representativo de la
malla
Voltaje de paso y
de toque máximo
permisible
No se tiene
memoria
descriptiva de
diseño
Vtouch = 1262,8 V
Vstep = 4835,1 V
Computo modulo
MALT
Cumple con la
norma, las
tensiones de
seguridad;
Vtouch =511,3 V
Vstep = 1552,9 V
las tensiones de
seguridad son
menores que la
arrogada por el
módulo MALT
5 CONCLUSIONES
Luego de realizar la evaluación y diagnóstico del Sistema de Puesta a Tierra de la S/E Parcelamiento
Industrial “B”, se tiene las siguientes conclusiones:
• Se determinaron los parámetros actualizados del SPT de la S/E, resistividad, resistencia de la malla
de tierra, voltaje de toque, voltaje de paso y gradiente de potencial y actualización de planos de
construcción de la malla de tierra
• La inspección visual indica en forma general que los conductores y conexiones son adecuados y se
encuentra en un buen estado
• El conductor principal actual de la malla es adecuado y se encuentra dimensionado de acuerdo al
sistema de potencia actual, comprobado por la inspección visual, simulación y norma IEE80-2000
Guide for Safety in AC Subestation Grounding
• Las pruebas de continuidad galvánica dieron resultados satisfactorios, en la mayorías de las
mediciones es menor que 0,005 Ω que es el valor máximo que permite la norma IEEE80-2000;
indicando de esta manera que todos los equipos y estructuras se encuentra conectado a la malla y
garantizando de esta manera equipotencialidad
• Los voltajes de toque y paso obtenidos en régimen permanente, son menores que los máximos
permisibles, en ambos casos con una holgura mayor al 100% del voltaje de seguridad para alcanzar
los voltajes máximo permisibles, por lo cual el sistema se encuentra en un buen estado de seguridad
para las personas que se encuentre en el patio de la S/E según la norma IEER 80-2000
• El gradiente de potencial se mantiene uniforme al momento de una falla como se observó en las
gráficas de 2D y 3D, todos los potenciales se elevan uniformemente lo que garantiza que no se
producirán descargas en forma de arcos eléctricos entre las estructuras conectadas a la malla de tierra
• En el caso de régimen transitorio se simuló una descarga atmosférica consistente en un rayo de
magnitud de 30 kA a 40 Khz, observándose que el mayor aumento de potencial ocurre debajo la
barra I y II, mientras que el resto de la S/E se mantiene equipotencial
• El SPT, se encuentra en buen estado y en condiciones operativas, siendo la primera vez que se
realiza una evaluación del SPT.
6 REFERENCIAS
[1] SES. CDEGS, version 11. 3. 107; 2004
[2] IEEE Std 80 -2000 “Guide for Safety in AC Subestation Grounding”
[3] IEEE Std 81 - 1983 “ Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface
Potentials of Ground System”
[4] Especificaciones Técnicas Generales de Subestaciones “ETGS7EEM-270. 1991”
[5] W.J. LEZAMA, E. MACERO, M. MORALES; “Evaluación de los Campos Electromagnéticos y la
Influencia del Tendido de Alta Tensión Sobre los Conductores de Control y Medición en la S/E Jose
400/115 kV”
[6] Plano de Construcción de la Malla de Tierra de la S/E Parcelamiento Industrial ”B” a 115 kV