Sistemas de puesta a tierra: Diseñado con IEEE-80 y evaluado con MEF

José Samuel Ramírez Castaño, Eduardo Antonio Cano Plata

• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Año: 2010
• ISBN:
  9789587618792
• Categoría: Technology & Engineering
• Categoría: Electrical Engineering & Telecommunications

Este trabajo intenta presentar de manera simple y sistematizada, el método introducido por la norma IEEE 80 en el diseño de sistemas de puesta a tierra para subestaciones. El estudio se limita al análisis del sistema a través de métodos numéricos. Este tipo de sistemas forman parte de un capítulo del material que se dicta en el curso de postgrado calidad del servicio de energía eléctrica. Por considerar los autores la importancia del tema han decidido ampliarlo en la presente obra. Las exposiciones previas al texto se han valorado en los últimos diez años de clase sirviendo a los alumnos y enriqueciéndose a través de sus valiosas criticas. Los autores aprovechan la oportunidad para agradecer a quienes han propiciado la discusión de las presentaciones del tema de puesta a tierra en la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. Resaltan particularmente la influencia del Ing. Julián Felipe Zapata. Se asume que el lector tiene conocimientos básicos de ingeniería eléctrica. Se pretendió una obra auto contenida donde el capítulo uno introduce el planteamientodel problema a través de métodos de ecuaciones diferenciales. Los capítulos dos a siete centran la atención en el método de diseño del IEEE std 80, su respectiva técnica de medida, el IEEE std 81. El capítulo ocho trata una serie de ejercicios adicionales. Culminando la obra con una ruta bibliográfica.

CAPÍTULO 1

MÉTODOS DE LA MECÁNICA DEL CONTINUO

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1.1 Introducción

Existen dos objetivos principales que debe cumplir el sistema de puesta a tierra de cualquier subestación, bajo condiciones normales y de falla:

• Proporcionar los medios para disipar corrientes eléctricas a tierra sin exceder los límites de operación de la red y de los equipos.
• Asegurar que las personas dentro de la subestación y en sus vecindades, no estén expuestas al peligro de las corrientes eléctricas de choque.

El procedimiento de diseño que se describe corresponde a la Standard 80-2000 de la IEEE y permite obtener niveles seguros de tensiones de paso y de toque dentro de la subestación (área cercada) y en sus proximidades. Puesto que la tensión de malla representa la peor tensión de toque posible dentro de la subestación (excluyendo los potenciales transferidos), esta clase de tensión se usará como base para el diseño.

Las tensiones de paso son menos peligrosas que las tensiones de malla debido a que se debe instalar una capa superficial de alta resistividad, pero esta capa no se extiende por fuera de la subestación, donde las tensiones de paso pueden ser peligrosas. En cualquier caso, las tensiones de paso y de toque calculadas deben ser menores que las tensiones de paso y de toque tolerables por el cuerpo humano.

Para mallas de puesta a tierra igualmente espaciadas, la tensión de malla se incrementará a lo largo de las cuadrículas desde el centro hasta las esquinas de la malla, lo cual dependerá de su tamaño, del número y localización de las varillas de tierra, del espaciamiento de los conductores paralelos, del diámetro y profundidad de los conductores y de la resistividad del suelo.

La tensión de malla (Em) es la tensión de toque en el centro de una cuadrícula esquinera, pero ésta se disminuye instalando varillas en el perímetro de la malla o cuando el espaciamiento de la malla en el perímetro es pequeño.

Para limitar los gradientes de potencial de tierra a niveles de tensión y corriente, y evitar que pongan en peligro la seguridad de las personas y de los equipos bajo condiciones normales y de falla, debe instalarse un sistema de puesta a tierra. En la discusión que sigue se asume que el sistema de puesta a tierra se compone de una malla horizontal de conductores enterrados, suplementada por varillas de tierra conectadas a la malla con el fin de penetrar suelos de capas profundas que tienen menor resistividad. Dichas varillas se instalan siempre a lo largo del perímetro y en las esquinas de la malla.

1.2 Representación de la ecuación de continuidad

Cuando se describe la conductividad de un medio continuo utilizando una metodología lagrangeana, existen dos posibilidades: (i) se conoce una configuración de referencia que puede ser la inicial o de flujo, este es en el caso de las llamadas formulaciones lagrangeanas totales y (ii) se conoce una configuración de equilibrio cualquiera, que es el caso de las llamadas formulaciones lagrangeanas actualizadas, y se busca la configuración espacial correspondiente a un instante t. Suele llamarse instante a un valor determinado de la coordenada temporal y se hacer notar que se utiliza la noción de tiempo en un sentido muy general, como el de una coordenada que sirve para numerar eventos.

La configuración espacial correspondiente al instante t está definida por densidades de corriente tJ que satisfacen la ecuación de Maxwell de continuidad del tipo:

Donde, en general, los tensores de segundo orden ’g son complicadas funciones no-lineales de ’J y de la historia del proceso de cambio de la conductividad. Una dificultad fundamental para resolver la ecuación (1) es que el dominio tΩ sobre el que debe ser resuelta, es parte de la solución del problema.

El problema matemático se completa con condiciones de borde en tσ y tJ, y se resuelve, como es bien sabido, utilizando magnitudes definidas sobre una configuración de referencia (representaciones en cierto sentido de las magnitudes definidas en la configuración espacial) y resolviendo un problema equivalente al descrito por la ecuación (1) sobre 0Ω (donde el supraíndice “o” indica la configuración de referencia adoptada).

El tensor de conductividad de Green y el segundo tensor de campo eléctrico de Kirchhoff son ejemplos de magnitudes definidas sobre la configuración de referencia para resolver sobre 0Ω los problemas no-lineales prese...