UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL ROSARIO Ingeniería Eléctrica TP Nº2: CÁLCULO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EN UNA ESTACIÓN TRANSFORMADORA. NORMA ANSI / IEEE STANDARD 80-2000 Profesores: Ing. Juan Carlos Cortelloni – Ing. Jorge Adrián Nocino. Asignatura: Transmisión y distribución de la energía eléctrica. Alumno: López Beduino, César Andrés. Leg: 33961 Curso: 5º 01 2013 En ese sentido.. Resistir la corrosión química y galvánica existente en el lugar de emplazamiento de la malla de forma de asegurar un funcionamiento aceptable durante la vida útil de la estación transformadora. Soportar sin deteriorarse las corrientes de fallas y de descargas atmosféricas.. la evaluación debe corresponderse con el costo total. 33961 UTN Regional Rosario . considerando un mínimo de treinta años que se espera que viva una estación transformadora López Beduino. 5. ii. Existen aspectos económicos interesantes de considerar en el establecimiento de la cuadriga que conforma la malla como los materiales que se utilizan. Proveer de forma confiable durante todo el período de vida útil de la estación transformadora un valor de impedancia bajo que asegure: i. acordes con las exigencias de instalación y durante su vida útil. Debe tenerse en cuenta en su diseño los posibles incrementos de la potencia de cortocircuito que podrían registrarse. Una rápida reflexión negativa que neutralice la sobretensión que envían a tierra descargadores y explosores. 2. Asegurar que las partes metálicas de los equipos estén a potencial de tierra.300 [Ωm] Resistividad superficial…………….. 0.2000 [Ωm] Tiempo de despeje de la falla……….. Se debe seleccionar un material capaz de soportar la acción de los agentes químicos y electroquímicos existentes en el punto de emplazamiento de la malla. César Andrés. Asegurar el rápido. 3. 4. lo que debería ser la base de todos los cálculos ingenieriles.Pag 1 .TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. Ser económica. iv.5000 [A] Tensión de servicio………………….50 [m] de largo y 40[m] de ancho Resistividad del suelo……………….34.8 [seg] Corriente de corto-circuito…………. Poseer buenas cualidades mecánicas.Nº2 PROBLEMA ABIERTO Diseñar la puesta a tierra de la estación transformadora. v.2013 . La conexión a tierra de los neutros de los transformadores.5 [Kv] La malla de PAT debe: 1. Leg.. selectivo y correcto funcionamiento de las protecciones de tierra. Datos: Dimensiones del terreno……………. Es muy difícil ampliar o mejorar la malla de PAT luego de construida la estación transformadora.. Un camino para las corrientes de fallas iii. Nº2 Cálculo de la malla Valores límites de diseño • Las resistencias de contacto de pies y manos son iguales a cero (es decir.2013 . Las tensiones reales de contacto de malla o de transferencia deben ser menores que la máxima tensión de contacto tolerable. tanto entre mano-ambos pies como manomano y pié-pié. Leg. que se supone que la persona no lleva zapatos ni guantes).15 m (hs). • La resistencia del cuerpo humano (Rb). para asegurar la seguridad de las personas.Pag 2 .. se representa con un valor de 1000 [Ω]. Corriente admisible soportada por el cuerpo humano. Se adopta una capa superficial de espesor 0. 33961 UTN Regional Rosario . Valor límite para la tensión de contacto López Beduino. (Para una persona de 50 Kg) (Para una persona de 70 Kg) También ha sido determinado que la resistencia de los dos pies en serie es: Donde Cs es el coeficiente de reducción de la capa superficial. César Andrés.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. Y que la resistencia de los pies en paralelo es La tensión de paso real deberá ser menor que la máxima tensión de paso tolerable para asegurar la seguridad de las personas. Se calculan los valores límites para personas de 70 kg Valor límite para la tensión de paso. 0.Nº2 Sección mínima del conductor de tierra La sección mínima de los conductores de tierra se determinada en función de la corriente máxima previsible de falla. siendo la corriente I = 4500 [A] o 4.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. 244. 33961 UTN Regional Rosario .00378 1/°C ρr= Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr μΩ-cm.. donde ante una falla. 1084°C Ta = Temperatura ambiente en °C. 20°C α0 = Coeficiente térmico de resistividad a 0°C en 1/°C.5 [KA] Adoptamos un conductor de cobre con alma de acero con las siguientes características López Beduino.55 TC = Duración de la corriente en seg. pero como la estación tiene dos líneas con hilo de guardia. 2 Tm = Máxima temperatura disponible o temperatura de fusión en °C. 3.40 Ko = 1/α0 o [(1/αr) – Tr] en °C. 40 °C Tr = Temperatura de referencia para las constantes del material en °C. IF = Corriente asimétrica de falla RMS en KA.Pag 3 . 0. Amm = Área del conductor en mm2. César Andrés.8 TCAP = Capacidad térmica por unidad de volumen en J / (cm3*°C). 4.85 El valor de la corriente de falla en nuestro caso es de 5000 [A]. el 10% de la corriente se fuga por los mismos hilos. Leg.2013 . se usa la más elevada encontrada. αr = Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr 1/°C. 33961 UTN Regional Rosario .. Leg.Pag 4 . basado en un criterio de prevención de los daños producidos por corrosión. cuyos datos se pueden ver a continuación: López Beduino. con sección mínima 90 mm2 constituido por 7 hilos de cobre. adoptamos para nuestro caso un conductor desnudo de acero/cobre tipo A-30 IRAM 2467 sección nominal 95 mm2.2013 . César Andrés. obtenido del catálogo de FACBSA.Nº2 Resultando: El diseño de la red se ha mantenido.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. Por lo tanto. 33961 UTN Regional Rosario . y la profundidad de empotramiento en el suelo de 0.25 m a lo ancho (horizontal) y de 1. Leg. Las cantidades de conductores de la red. Asimismo.500 mm. A lo ancho de la malla (Verticales)…………………………. Optaremos en colocar 60 jabalinas de acero-cobre IRAM 2309 marca GENROD de dimensiones nominales ½” x 4. el uso de jabalinas es el recurso adecuado para alcanzar dichos valores.2013 .Pag 5 . Debido a su influencia mutua.8 m. uno de 3000 mm y otro de 1500 mm López Beduino. el espaciamiento entre conductores es de 1.33 conductores en paralelo.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. cuando es difícil alcanzar los valores pretendidos con la malla solamente.. la resistencia total de la combinación “red horizontal de conductores-electrodos verticales” es menor que cualquiera de los componentes separados pero mayor que la resistencia de su conexión en paralelo. son los siguientes: A lo largo de la malla (Horizontales)……………. Contribución de las Jabalinas La jabalinas de neutros y descargadores se vinculan a la malla de tierra y deben ser tenidas en cuenta al determinar el valor total del sistema de puesta a tierra. César Andrés. La cantidad en metros que se requiere para cubrir toda el área horizontal y vertical son los siguientes 33 conductores x 50 m = 1650 41 conductores x 40 m = 1640 -----------------Total= 3290 metros de conductores.…………. compuesta por 2 tramos.25 m a lo largo (vertical).41 conductores en paralelo.Nº2 Geometría de la red La disposición de la malla es la siguiente. El factor geométrico Km. puede ser aplicable a las redes rectangulares o de forma irregular que representan el número de conductores paralelos de una malla rectangular equivalente.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. n. la resistividad del terreno. César Andrés.Pag 6 . que da cuenta de algunos de los errores introducidos por los supuestos hechos en la obtención de Km. Ki. López Beduino. ρ. así como tanto a lo largo del perímetro y en toda el área de la cuadrícula: h0 = 1 m (Profundidad de referencia de la malla) Usando cuatro componentes para la forma de la malla (Thapar. y Blank). Los valores de tensión de malla se obtienen como un producto del factor geométrico. Km. el número efectivo de conductores paralelos en una cuadrícula dada.2013 . se calcula de la siguiente manera: Para mallas con jabalinas a lo largo del perímetro. Leg. y la corriente media por unidad de longitud efectiva del conductor enterrado de puesta a tierra (IG / Lm).Nº2 Tensión de Malla (Em). Balakrishnan. un factor de corrección. Gerez. o para mallas con jabalinas en las esquinas de la malla.. 33961 UTN Regional Rosario . D espaciamiento entre conductores paralelos. m. m. López Beduino. Leg. m. 33961 UTN Regional Rosario . m.Pag 7 . Dm distancia máxima entre dos puntos cualesquiera de la red. h profundidad de los conductores de la malla m. Ly longitud máxima del conductor de la red en la dirección Y. El factor de irregularidad.Nº2 LC longitud total del conductor de la malla en m.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. A área total de la malla en m2 Lx longitud máxima del conductor de la red en la dirección X. LP longitud del perímetro de la malla en m. m. d diámetro del conductor de tierra. Ki El factor de irregularidad. Finalmente la tensión de malla será: El valor obtenido de tensión de malla (560 V) es inferior al valor límite de tensión de contacto (599 V).. m LC longitud total del conductor de la red o malla en m Lr longitud de una jabalina. LM LR longitud total de las jabalinas de tierra. César Andrés.2013 . LS. la longitud efectiva de conductor enterrado. De lo contrario. Los valores de tensión de paso se obtienen como un producto del factor geométrico.Pag 8 . es mayor que el valor L calculado. es: Se supone que la tensión de paso se produce a una distancia de 1 m. resulta: Con el dato de L y el de Rg (resistencia de dispersión de la red). ρ. Para la profundidad de enterramiento de 0. Ki.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP.. César Andrés. Para mallas con o sin jabalinas. Si este valor de Emesh se iguala al valor máximo tolerable antes calculado Etouch.25 m < h < 2. y el n ya obtenido.Nº2 Estimación de la mínima longitud de conductores a enterrar. Ks. la resistividad del terreno. López Beduino.2013 . Con Ki calculado. Si la longitud de conductor resultante por razones geométricas y físicas.5 m. que podrá afinarse sobre el plano de planta de la subestación. Tensión de paso (Es). el problema está básicamente resuelto. por la necesidad de conexión de todo el equipamiento. Para nuestro caso la longitud de conductores es de 3290 m. y la corriente media por unidad de longitud efectiva del conductor enterrado de puesta a tierra (IG / LS). 33961 UTN Regional Rosario . deberán reducirse las dimensiones de la cuadrícula hasta obtener el valor de L necesario para el control de los gradientes. Leg. se tienen dos datos básicos para el diseño de la red. un factor de corrección. Leg.Pag 9 . menor debería ser la resistencia de dispersión a obtener.Nº2 Finalmente calculamos la tensión de paso La tensión de paso obtenida (1850 V) es inferior al valor límite de tensión de paso (1869 V). d1= diámetro de los conductores de la red (m).TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. Lr= longitud promedio de las jabalinas (m). cuanto mayor sea la intensidad de falla. Por lo tanto. Lc= longitud total de los conductores de la red (m). K2= constantes relacionadas con la geometría del sistema. López Beduino. d2 =diámetro de las jabalinas (m). A= área cubierta por la red.m). nr= número de jabalinas dentro del área A. Red de puesta a tierra Una puesta a tierra ideal debería ser de una resistencia cercana a cero. César Andrés. K1. El valor máximo permitido de la resistencia de puesta a tierra para subestaciones de media tensión tiene que ser de Rgmax= 10 [Ω]. En la práctica. h’= (d1 h) 1/2 para conductores enterrados a la profundidad h. ρ resistividad del suelo encontrada por los conductores de red enterrados a la profundidad h (Ω. 33961 UTN Regional Rosario . h= profundidad de empotramiento de la red (m). la elevación de potencial de la red se incrementa proporcionalmente con la corriente de falla..2013 . Leg. César Andrés. López Beduino.5 = 0.15 x + 5.Nº2 Las curvas para las constantes K1 y K2 se pueden observar a continuación: Para entrar en estas tablas es necesario calcular la relación largo-ancho de la malla de puesta a tierra: 50 m/40 m =1.41 = 1.688 Calcularemos ahora h’ (se calcula para conductores enterrados a la profundidad h de empotramiento de la red): Con estos resultados estamos en condiciones de calcular la resistencia de dispersión a tierra.04 x + 1.41 = -0. Nosotros para minimizar el error gráfico utilizaremos la ecuación correspondiente a la curva elegida (curva A): K1 = -0.2013 .25 Con esta relación.04 . 1.5 = 5.25 + 5. se puede entrar en la curva. 1.25 + 1..TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP.Pag 10 .15 .36 K2 = 0. 33961 UTN Regional Rosario . obtenemos una tensión de malla de 599 V. en caso de ser posible.Nº2 El valor de la resistencia de tierra nos da 3. Año 2013 TP de la cátedra: “Puesta a tierra de la ET Echesortu”. Año 2009. César Andrés. Bibliografía Apunte de la cátedra: “Dimensionamiento_de_Mallas_de_PAT_en_EETT”. una tensión de paso de 416 V y una resistencia de dispersión de 1. Aumentar el área de la malla de puesta a tierra.5 m obteniendo una tensión de malla de 592 V.10 Ω. distanciar los conductores paralelos 5 m.Pag 11 . Norma IEEE Std 80-2000 (Revision of IEEE Std 80-1986): “IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding”. Se evaluaron dos opciones para bajar costos. utilizar 35 jabalinas de 4. siendo lo normativo menor que 10 Ω. Leg.01 Ω.TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA TP. 33961 UTN Regional Rosario . utilizar 15 jabalinas de 4.2013 . Se realiza una malla de 60 x 50 m. por lo tanto estamos dentro de los limites permitido.5 m.. espaciar los conductores paralelos 1. López Beduino. una tensión de paso de 1464 V y una resistencia de dispersión de tierra de 2. pero puede resultar antieconómica.54 Ω. Variantes Se ha comprobado que la red de PAT calculada cumple con los requisitos de la norma. Año 2000.5 m. Reducir la resistividad del terreno de 300 a 100 Ω m.