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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV

UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD

Br. Jexelin C. Medina C.

Mérida, Marzo, 2009

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV

UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar por el título de

Ingeniero Eléctricista

Br. Jexelin C. Medina C. Tutor: Prof. Ernesto Mora

Asesor: Ing. Oswaldo Viloria

Mérida, Marzo, 2009

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

APROBACIÓN

ESTUDIO Y EVALUACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA EXISTENTE EN LA SUBESTACIÓN CAJA SECA 115/34.5/13.8 KV UTILIZANDO COMO HERRAMIENTA EL SOFTWARE CYMGRD

Br. Jexelin C.Medina C.

Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar al título de Ingeniero Eléctricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el siguiente Jurado.

__________________________ ___________________________ Prof. (a). Marisol Dávila Prof. Ricardo Sthepens

C.I.: 10.107.821 C.I.: 15.175.313

___________________________ Prof. Ernesto Mora

C.I.: 3.499.666

iii

DEDICATORIA

iv

AGRADECIMIENTOS

A Dios Todopoderoso a la Santísima Virgen y al Dr. José Gregorio Hernández, por ser mis guías e iluminar siempre mis pasos. A mis padres Jaime y Mireya por ser los pilares en mi vida y siempre ser un ejemplo ha seguir. Los Amo. A mi hijo Santiago David el centro de mi vida que este logro te sirva de ejemplo, que Dios te bendiga mi niño.Te amo mi amor. A mis hermanos Ginett, Mª Andrea, Mª Andreina y José Daniel por darme siempre una lección de vida y prestarme todo su apoyo en los momentos mas difíciles. Los quiero. A Leonardo por haberme dado toda la fuerza y el apoyo durante toda mi carrera, por estar siempre conmigo en los momentos que más lo necesite. Te quiero. A mis amigos David Rojas, Maribell Fernández, Edgar Lucena, Yara Meléndez, Fady Abed Rabboh, Wilberth Montaña, Yebri Novoa, Lucila Materano, Javier García, Elizabeth Giro, Melissa Medina, Luis Reinoso., Jhalexis Sánchez, Dalila Ramírez y Alberto Bannenberg, por haber compartido conmigo a lo largo de mi carrera inolvidables vivencias, momentos de alegrías y tristezas. Gracias Amigos! A mi amigo y Profesor Francisco Viloria, quien siempre me brindo su amistad y ayuda, siendo un excelente amigo y un ejemplo profesional. Gracias Profe. A la Ilustre Universidad de Los Andes por darme la oportunidad de crecer como profesional, orgullosa de ser egresada de esta digna y prestigiosa institución. A la Escuela de Ingeniería Eléctrica por haberme formado como Ingeniero en las manos de excelentes profesionales. Al Profesor Ernesto Mora quien fue un excelente tutor en el desarrollo y termino de este trabajo. Al Ingeniero Oswaldo Viloria excelente asesor y amigo, quien brindo toda su ayuda y conocimiento durante el desarrollo de este trabajo. A la Coordinación de Transmisión de la empresa C.A.D.A.F.E. y a todo los Ingenieros y a su equipo técnico, por brindarme la oportunidad de pertenecer a esta gran familia conformada por excelentes profesionales.

A todos mi eterno agradecimiento…

JEXELIN MEDINA

v

Jexelin C. Medina C., Estudio y Evaluación de la malla de Puesta a Tierra existente en la Subestación Caja Seca 115/34.5/13.8 kV utilizando como herramienta el software CYMGRD. Universidad de Los Andes. Tutor: Prof. Ernesto Mora. Febrero 2009.

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ȱRESUMEN

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El diseño de las mallas de puesta a tierra en las Subestaciones eléctricas son de vital importancia ya que de la eficiencia de la misma depende la seguridad de las personas que se encuentre dentro y en las adyacencias de la subestación. Un mal diseño puede generar potenciales peligrosos, los cuales representan una amenaza constante para el personal que labora en la subestación, así como también pueden llegar a causar el daño del equipo eléctrico instalado en la planta. Debido al aumento de la demanda en el sector eléctrico, se ha venido aumentando la capacidad en las subestaciones, como es el caso de la Subestación Caja Seca, en la que se realizo una aumento en su capacidad, lo que incremento el valor de la corriente de cortocircuito, trayendo consigo que la malla de puesta a tierra existente presentara deficiencia en su nivel de seguridad, ocasionando incomodidades a los operarios debido al incremento de los potenciales. Se plantea realizar un estudio y evaluación de la malla a tierra existente, para así conocer los niveles de potenciales que presenta actualmente, así como también el valor de la resistencia a tierra, se realizara usando como herramienta el software CYMGRD, el cual es un programa diseñado para el estudio y mejora de diseños de redes a tierra, el mismo facilitara los cálculos de evaluación de seguridad.

vi

Descriptores: Sistemas de puesta a tierra, Resistividad del suelo, Tensiones de paso y de contacto, Resistencia a tierra.

ÍNDICE GENERAL

APROBACIÓN...................................................................................................................................................... II

DEDICATORIA .................................................................................................................................................. III

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................................................IV

RESUMEN............................................................................................................................................................. V

ÍNDICE GENERAL.............................................................................................................................................VI

LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................................................ X

INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................................. 1

EL PROBLEMA..........................................................................................................................3 1.2.1 Generales.......................................................................................................................................... 4 1.2.2 Específicos........................................................................................................................................ 4

CRITÉRIOS PARA EL DISEÑO......................................................................................................................... 5

DE REDES DE PUESTA A TIERRA EN SUBESTACIONES.......................................................................... 5

2.2.1 Condiciones de riesgo en un sistema de conexión a tierra............................................................... 7 2.2.2 Criterio de voltajes tolerables ........................................................................................................ 11 2.2.3 Criterios de voltajes de toque y de contacto................................................................................... 12 2.3.1 Tamaño de los Conductores ........................................................................................................... 14 2.3.2 Aspectos Básicos para el Diseño de una Rejilla............................................................................. 15 2.3.3 Selección de los conductores y conexiones..................................................................................... 15 2.3.4 Características del terreno ............................................................................................................. 16 2.3.5 Modelo de Suelo en dos Capas....................................................................................................... 19 2.3.6 Evaluación de la resistencia del suelo............................................................................................ 20 2.3.7 Tratamiento del suelo para bajar la resistividad ........................................................................... 22 2.4.1 Módulo Análisis del Suelo .............................................................................................................. 23 2.4.2 Análisis de la Malla........................................................................................................................ 24 2.4.3 Módulo de Gráficado...................................................................................................................... 26

MALLA EXISTENTE ......................................................................................................................................... 28

3.1 ANÁLISIS DEL SUELO...............................................................................................28 3.2 ANÁLISIS DE LA MALLA..........................................................................................35

RECONFIGURACIÓN DE LA MALLA........................................................................................................... 45

4.1 PROBLEMA .................................................................................................................45 4.2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN .....................................................................................45 4.3 MALLA PERIFÉRICA .................................................................................................46

4.3.1 Análisis del Suelo ........................................................................................................................... 47 4.3.2 Selección del Conductor. ................................................................................................................ 48

4.3.3 MALLA CON ELECTRODOS..........................................................................................62 4.4 COMPARACIÓN DE SEGURIDAD ENTRE AMBAS MALLAS..............................73 4.5 DISEÑO DE UNA NUEVA MALLA SEGÚN CRITERIOS IEEE80-2000 ................75

CONCLUSIONES................................................................................................................................................ 83

RECOMENDACIONES ...................................................................................................................................... 85

vii

REFERENCIAS ................................................................................................................................................... 86

ANEXOS ............................................................................................................................................................... 87

LISTA DE FIGURAS

FIGURA pp

1 2.1 Persona expuesta a un voltaje de contacto ..........................................................................7 2 2.2 Circuito Equivalente de Tensión de Contacto.....................................................................8 3 2.3 Persona expuesta a un voltaje de Paso ................................................................................9 4 2.4 Circuito Equivalente de Tensión de Paso............................................................................9 5 2.5 Factor de reducción vs. Profundidad capa superficial.......................................................10

2.6 Entornos básicos de choque eléctrico................................................................................11 2.7 Efectos de humedad, sal y temperatura sobre la resistividad del Suelo ............................17 2.8 Disposición de los Circuitos de Medida Método Geoeléctrico WENNER........................18 2.9 Coeficiente K1 de la formula de Schwarz .........................................................................21

viii

2.10 Coeficiente K2 de la formula de Schwarz .........................................................................22 3.1 Reporte de la resistividad del suelo usando el programa PT&SD.....................................32 3.2 Datos del modelo del terreno usando PT&SD...................................................................34 3.3 Configuración de la malla .................................................................................................37 3.4 Diagrama de Contorno de Potencial Malla existente ........................................................40 3.5 Diagrama de contorno en 3D Malla existente ...................................................................41 4.1 Reconfiguración de la malla con solo conductores ...........................................................54 4.2 Reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D.................................................55 4.3 Contorno de Potencial de la reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D ....59 4.4 Reconfiguración de la Malla de puesta a tierra con electrodos insertados........................62 4.5 Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados..................70 4.6 Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados en 3D .......70 4.7 Contorno de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra.............................................76

ix

TABLA pp 2.1 Efectos producidos por efecto de corriente en el cuerpo humano.....................................6 3.1 Mediciones de Campo realizadas con el Megger Digital ..................................................29 3.2 Reporte del análisis del suelo ............................................................................................30 3.3 Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas por el programa PT&SD. 32 3.4 Medidas de Resistividad....................................................................................................33 3.5 Datos obtenidos de la curva modelo del terreno PT&SD..................................................35 3.6 Tabla de conductores dispuestos en la malla existente......................................................36 3.9 Reporte de análisis de la malla existente ...........................................................................37 3.10 Datos de la barra ................................................................................................................39 3.11 Reporte de Contorno de potencial de la Malla existente ...................................................41 3.12 Reporte del perfil de potencial...........................................................................................43 4.1 Parámetros del suelo y de seguridad de la malla ...............................................................47 4.2 Datos del conductor ...........................................................................................................49 4.3 Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada .............................................49 4.4 Reporte de análisis de la malla mejorada ..........................................................................55 4.5 Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada...................................................59 4.6 Reporte de Perfil de Potencial de la malla mejorada.........................................................61 4.7 Datos del electrodo de puesta a tierra................................................................................62 4.8 Reporte de análisis de la malla ..........................................................................................63 4.9 Reporte de Contorno de Potencial .....................................................................................71 4.10 Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados ...............................72 4.11 Valores de Comparación del Estudio ................................................................................75 4.12 Reporte de análisis de la nueva Malla ...............................................................................77

x

LISTA DE GRÁFICOS

GRÁFICO pp 3.1 Curva de análisis del suelo, Programa CYMGRD ............................................................30 3.2 Curva modelo del terreno ..................................................................................................33 3.3 Diagrama de perfil de Potencial de la Malla existente ......................................................43 4.1 Diagrama de Perfil de Potencial reconfiguración de la malla solo conductores ...............60 4.2 Perfil de Potencial reconfiguración de la malla puesta a tierra con electrodos ................72 4.3 Comparación de Perfiles de Potencia de la Malla existente y de la Malla mejorada ........74 4.4 Perfil de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra...................................................77

INTRODUCCIÓN La electricidad es una forma de energía que una vez producida en las centrales de

generación requiere ser transportada hasta los diversos destinos de consumo; las Subestaciones

eléctricas, parte importante del sistema de generación eléctrica, cumplen con la función de

transformar los niveles de tensión. Todas las subestaciones de Transmisión y Distribución

deben brindar un alto grado de confiabilidad para que los dispositivos y equipos que los

conformen puedan funcionar adecuadamente, logrando llevar al mínimo las fallas y así

garantizar la continuidad y calidad del servicio eléctrico.

Por esta y muchas razones es de vital importancia para el buen funcionamiento de las

subestaciones tanto de transmisión como de distribución que estas se mantengan en un óptimo

funcionamiento.

La demanda del sector eléctrico a nivel nacional ha llevado a que las empresas de energía

eléctrica incrementen sus capacidades de producción bien sea con la creación de nuevas

subestaciones o con el incremento de unidades de transformación en las mismas, esta ultima

ha sido la solución mas viable ya que la creación de nuevas subestaciones resulta muy costosa.

Al aumentar la capacidad de la subestación aumenta igualmente la corriente de cortocircuito,

haciendo que la malla de puesta a tierra existente vaya siendo cada vez menos confiable.

Es por ello que este proyecto técnico opta por responder a una inquietud presente en una de

las compañías mas importantes de producción de energía eléctrica en el país como lo es la

Compañía Anónima De Administración y Fomento Eléctrico (C.A.D.A.F.E.) Región 7, la cual

corresponde a la zona del Occidente del país, el problema radica en que la Subestación Caja

Seca viene presentando una deficiencia en su malla de puesta a tierra, haciendo peligrosas las

operaciones en la subestación. El objetivo de este trabajo de grado es tratar de resolver la

problemática presente en la Subestación Caja Seca de manera rápida, segura y confiable, es

por ello que se hace necesario el uso de una herramienta que ayude a agilizar el estudio y la

mejora de la malla de puesta a tierra existente.

2

La Empresa, ha decidido implementar como herramienta el software CYMGRD el cual

genera una forma de solución rápida y segura, ya que fue diseñado especialmente para ayudar

a optimizar el diseño de nuevas redes y reforzar las existentes.

Bajo un previo estudio a la malla de puesta a tierra en la Subestación se evaluará la

situación actual presente en la misma y mediante el uso del software se realizará un

reforzamiento a la malla eliminando los sobrevoltajes existentes haciéndola mas segura.

En el Capitulo I, se hará referencia al problema existente en la malla a tierra de la

subestación, sus antecedentes y los objetivos perseguidos por el proyecto técnico. En el

Capitulo II, se proporcionara un marco teórico en el cual se estudiaran los conceptos y

criterios básicos para el diseño de redes a tierra en las subestaciones. También se dará

información básica del programa CYMGRD. El Capitulo III, se encontrara conformado por el

estudio de la malla de puesta a tierra existente en la subestación Caja Seca, haciendo uso del

programa CYMGRD se realizara un estudio de los potenciales existentes, así como su valor de

resistencia a tierra. En el Capitulo IV, se realizará la evaluación de la malla y se desarrollará

una mejora en la misma, igualmente mediante el uso del programa se hará un análisis de

seguridad y se evaluaran las mejoras en cuanto a las reducciones de sus parámetros de

seguridad. En este capitulo también se encontrara un estudio del diseño de una malla

completamente nueva, tomando en cuenta los datos de la subestación Caja Seca, esto a manera

de comparar ambos diseños.

EL PROBLEMA

En este capítulo se realizará una introducción a la problemática presente en la Subestación

Caja Seca expresando los objetivos que se quieren lograr a lo largo del desarrollo del trabajo

de grado y a su vez la justificación para la realización de este proyecto técnico.

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La Subestación Caja Seca, es una subestación 115/34.5/13.8 kV. Esta subestación en sus

inicios fue creada con una salida de 34.5 kV y una salida en 13.8 kV, debido al aumento en la

demanda la empresa se vio en la necesidad de aumentar la capacidad en la misma,

introduciendo dos transformadores de 115/13.8 kV, quedando de esta manera cuatro

transformadores. Actualmente la subestación se encuentra conformada por:

• Un (1) tramo de línea en 115 kV.

• Un (1) tramo de transformación 115/34.5 kV

• Dos (3) tramos de transformación 115/13.8 kV

• Ocho (8) tramos de salida de línea en 13.8 kV. Espacio para cinco (5) futuras.

Debido a esta ampliación y al aumento de la capacidad en la subestación, el nivel de la

corriente de cortocircuito en la misma sufrió un incremento significativo, llegando a

presentarse deficiencia de la malla a tierra existente, generando problemas en cuanto a los

niveles de los potenciales de contacto, razón por la cual los operarios venían presentando

4

quejas, debido a que las operaciones en la subestación resultaban poco seguras, y que los

equipos comenzaban a presentar fallas de funcionamiento.

Por esta razón se requiere del estudio y evaluación de la malla de puesta a tierra en la

subestación para así poder realizar las mejoras correspondientes de manera de hacer confiable

las operaciones en la subestación. Esta mejora se realizara utilizando como herramienta el

programa CYMGRD, programa utilizado para el estudio y mejoras de las mallas de puesta a

tierra.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Generales

Realizar un estudio de la resistencia de puesta a tierra de la malla existente en la

subestación Caja Seca, para eliminar posibles tensiones de peligro para el personal que labora

en la misma, utilizando como herramienta el programa CYMGRD.

1.2.2 Específicos

• Estudiar la situación actual de la subestación Caja Seca y evaluar la malla de puesta a

tierra existente.

• Conocer los valores de las tensiones de paso y de contacto presentes en la subestación Caja

Seca.

• Estudiar el programa y utilizarlo como herramienta para facilitar los cálculos, diseños y

mejoras de la malla de puesta a tierra.

• Reducir la resistencia de puesta a tierra de la subestación Caja Seca utilizando como

herramienta el software CYMGRD.

• Reducir los sobrevoltajes existentes en la subestación Caja Seca mediante la solución mas

adecuada.

CRITÉRIOS PARA EL DISEÑO DE REDES DE PUESTA A TIERRA EN

SUBESTACIONES

2.1 PUESTA A TIERRA

El diseño de un sistema de conexión a tierra en una subestación eléctrica se debe realizar de

manera óptima y confiable debido a que esto representa la seguridad de las personas y

protección de los equipos en la subestación. Es muy importante tener las referencias a tierra

adecuadas considerando la importancia de la continuidad del servicio pero manteniendo

también total atención a los niveles máximos recomendables.

Para ello se debe proporcionar una resistencia de camino de retorno de la corriente por el

terreno lo mas baja posible, como también para asegurar que una persona en las inmediaciones

de un sistema de conexión a tierra no se encuentre expuesta a un choque eléctrico, esto

requiere del control del perfil de voltajes sobre la superficie del terreno que aparece cuando

circula una corriente por el mismo, de acuerdo a la forma de estos perfiles se podría presentar

una diferencia de voltaje que pondría en riesgo la vida de alguna persona. Esto depende

fundamentalmente de las características del terreno en general, como su resistividad.

2.2 SITUACIONES DE RIESGO EN LA SUBESTACIÓN

Antes de conocer las condiciones para que se genere una situación de riesgo en las

inmediaciones o dentro de la subestación, es importante conocer los efectos de la corriente

6

eléctrica en el cuerpo humano, ya que estos dependen de múltiples factores dentro de los

cuales se pueden mencionar los siguientes:

• Camino de circulación de la corriente y distribución de la misma dentro del cuerpo

humano.

• Intensidad de la corriente.

• Tiempo de circulación de la corriente en el cuerpo.

• Tipo de onda de la corriente: impulso (rayos), corriente alterna, corriente continua.

• Frecuencia de la corriente alterna sinusoidal.

• Nivel de voltaje aplicado para la circulación de corriente.

• Humedad de la piel y superficie de contacto con los caminos de circulación de la

corriente externos al cuerpo humano.

En la tabla mostrada a continuación se podrá observar los efectos producidos de acuerdo a

la intensidad de corriente y a la forma de onda.

Tabla 2.1. Efectos producidos por la corriente en el cuerpo humano.

Corriente en mA

Corriente continua Corriente Alterna

60 Hz 10 kHz

Efecto sobre la persona

Hombres Mujeres Hombres Mujeres Hombres Mujeres

Sin sensación en la mano

1,0 0,6 0,4 0,3 7,0 5,0

Hormigueo ligero. Nivel de

percepción 5,2 3,5 1,1 0,7 12,0 8,0

Choque no doloroso. No se pierde control

muscular

9,0 6,0 1,8 1,2 17,0 11,0

Choque doloroso. Dolor sin perder el control muscular

62,0 41,0 9,0 6,0 55,0 37,0

7

Tabla 2.1. Efectos producidos por la corriente en el cuerpo humano.(Continuación)

Choque doloroso. Nivel de imposibilidad de soltar un objeto energizado

76,0 51,0 16,0 10,5 75,0 50,0

Dolor. Choque severo. Contracción muscular. Dificultad para respirar

90,0 60,0 23,0 15,0 94,0 63,0

Posible fibrilación ventricular debido a periodo corto de tiempo

Duración0,3s

Duración 3s

1300,0

500,0

1300,0

500,0

1000,0

100,0

1000,0

100,0

1100,0

500,0

1100,0

500,0

Es por ello que se deben tomar las precauciones necesarias en el diseño para que al

momento de presentarse el máximo gradiente de potencial este no presente peligro alguno para

las personas dentro o en los alrededores del sistema de conexión a tierra.

2.2.1 Condiciones de riesgo en un sistema de conexión a tierra.

Fig.2.1. Persona expuesta a un voltaje de contacto. (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)

8

Fig.2.2. Circuito equivalente de la tensión de contacto (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)

En la Fig. 2.1 se observa a una persona tocando una estructura metálica aterrizada en el

terminal H y la corriente If que se descarga a tierra por el sistema de puesta a tierra de la

subestación. En la Fig. 2.2 se muestra el equivalente de Thevenin entre los pies de la persona

en paralelo con el sistema y en serie con la resistencia del cuerpo RB. VTH es el voltaje entre los

terminales H y F cuando la persona no se encuentra presente. IB es la corriente que circula por

el cuerpo. Cuando ZTH es igual a la resistencia de dos pies en paralelo se tiene:

)( THBBtoque ZRIE += (2.1)

La impedancia equivalente de Thevenin THZ se calcula haciendo uso de las siguientes

fórmulas conservativas:

2

f

TH

RZ = (2.2)

Donde fR es el valor de la resistencia a tierra de un pie en ohmios. El pie humano se

representa como un disco metálico y el valor de resistencia a tierra de este de radio b (m) en la

superficie del suelo homogéneo de resistividad と (Ω-m) se establece por la ecuación de

Laurent:

b

R f 4

ρ= (2.3)

9

La placa metálica que representa el pie se representa por un radio de 0.08 m, mediante

ciertas aproximaciones numéricas se obtiene que la expresión para la THZ en función de la

resistividad es:

ρ5.1=THZ (2.4)

Al sustituir en la ecuación 2.1 se obtiene:

)5.1( ρ+= BBtoque RIE (2.5)

La otra condición existente es el voltaje de paso, situación que se ilustra en las Figs. 2.3 y

2.4.

Fig.2.3. Persona expuesta a un voltaje de paso. (ElectricPower Substatios Engineering. Jhon D. McDonald, 2007)

Fig.2.4. Circuito equivalente de la tensión de paso (ElectricPower Substatios Engineering. MCDONALD,Jhon D, 2007)

10

Para el cálculo de la expresión del voltaje de paso se procede de la misma forma que para

la del voltaje de contacto, con la variante de que en para el voltaje de paso fTH RZ 2= que se

debe a la impedancia de dos pies en serie, para este caso se tiene en la ecuación (2.6):

ρ62 == fTH RZ (2.6)

Con el cual se obtiene que:

)6( ρ+= BBpaso RIE (2.7)

Se debe mencionar que las anteriores ecuaciones fueron descritas para una resistividad de

suelo uniforme (ecuación 2.3), sin embargo, en la superficie de las subestaciones se esparce

una capa de material de alta resistividad con un espesor que varía de 0.08m a 0.15m, esto se

realiza para aumentar la resistencia de contacto entre el suelo y los pies de la persona en la

subestación. Por ello se introduce el factor Cs de reducción de potencia en presencia de una

capa gruesa de material de alta resistividad. Estos valores de Cs son precalculados para un

disco de un radio de mb 08.0= y se dan en forma gráfica en la Fig.2.5.

Espesor del material superficial hs (metros)

Fig.2.5. Cs versus hs (IEEE80-2000)

11

La ecuación (2.8) da el valor de Cs, estos valores están dentro del 5% de los valores que se

obtienen con el método analítico (Fig. 2.5).

09.02

109.0

1+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=s

s

sh

Cρρ

(2.8)

Donde:

sC Factor de reducción de la capacidad normal de la capa superficial

sρ Resistividad del material superficial Ω-m

ρ Resistividad de tierra bajo el material superficial Ω-m

sh Grosor del material de superficie en metros (m)

2.2.2 Criterio de voltajes tolerables

En la Figura 2.6, se puede observar como al momento de ocurrir una falla que inyecte una

corriente al Sistema de Conexión a tierra que retorne por medio del terreno hacia la fuente, el

Sistema de conexión a tierra eleva su potencial de Ground Potencial Rise (GPR, máximo

potencial a tierra).

Fig.2.6. Entornos básicos de choque eléctrico (IEEE80-2000)

12

Se puede observar que sobre el perfil del terreno aparece un perfil de voltajes que depende

de la forma en que la corriente se distribuye en el terreno para retornar hacia la fuente, esto

depende de la resistividad del terreno, heterogeneidad y de la geometría del Sistema de

conexión a tierra.

Las personas P1 y P2 indican varias situaciones de riesgo y las diferencias de potencial a

que pueden estar sometidas en el momento de la falla. P1 soporta una diferencial de potencial

Vp aplicada entre los pies, esto se denomina voltaje de paso. P2 esta expuesta a una diferencia

de potencial Vm el cual se ha denominado en forma general voltaje de malla. P3 esta expuesta

a una diferencia de potencial Vc que se le denomino voltaje de contacto. P4 es la persona que

se encuentra en una zona donde el perfil del voltaje sobre el terreno tiene un valor pequeño,

este potencial al que esta expuesto se denomina Voltaje Transferido VT.

2.2.3 Criterios de voltajes de toque y de contacto

Para mantener la seguridad de las personas al momento de una descarga eléctrica es

importante que el manejo del voltaje máximo de cualquier circuito accidental no exceda los

límites que se indican a continuación, estos son especificados para pesos corporales de 50 y 70

kg.

( )S

SSkgpasot

CE116.0

6100050 ρ+= (2.9)

( )S

SSkgpasot

CE157.0

6100070 ρ+= (2.10)

Similarmente para el voltaje de contacto:

( )S

SSkgpasot

CE116.0

5.1100050 ρ+= (2.11)

13

( )S

SSkgpasot

CE157.0

5.1100070 ρ+= (2.12)

Donde:

kgpasoE 50 Voltaje de paso para un peso corporal de 50 kg

kgpasoE 70 Voltaje de paso para un peso corporal de 70 kg

kgtoqueE 50 Voltaje de contacto para un peso corporal de 50 kg

kgtoqueE 70 Voltaje de contacto para un peso corporal de 70 kg

sC Factor de reducción de la capacidad normal de la capa superficial

sρ Resistividad del material superficial Ω-m

St Duración del choque eléctrico en segundos

2.3 PRINCIPALES CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Un sistema de puesta a tierra debe instalarse de manera que se limite el efecto del

gradiente de potencial a tierra para niveles de voltaje y corriente que no pondrán en peligro la

seguridad de las personas o equipos bajo condiciones normales y de falla. El sistema debe

garantizar el servicio continuo.

Es recomendable crear un diseño que combine varillas conductoras verticales y horizontales por las siguientes razones: Un solo electrodo resulta ineficiente en dar un sistema de aterrizaje seguro. Es por ello que

es recomendable la interconexión de varios electrodos, ya sean verticales u horizontales o la

combinación de ambos. Cuando la interconexión se realiza de solo conductores verticales esto

genera un sistema de rejillas de electrodos a tierra. Si la corriente con trayectoria hacia la tierra

es alta, la instalacion de una rejilla generalmente no proporciona un valor bajo de resistencia

para asegurar que el incremento de potencial a tierra no generará gradientes peligrosos en la

superficie, por lo tanto el peligro puede eliminarse solamente por el control de los potenciales

locales.

14

Los conductores horizontales que formen una rejilla son más efectivos al momento de

reducir los potenciales de paso y de contacto en la superficie de tierra, siempre y cuando la

configuración de eléctrodos se encuentre cerca de la superficie (0.3m a 0.5m). Al insertarse

varillas a tierra a grandes profundidades e interconectándolas con la rejilla horizontal producen

en algunos casos una reducción significativa del valor de la resistencia a tierra, esto debido a

este sistema combinado.

Al penetrar las varillas en el suelo de baja resistividad estas disipan las corrientes de falla,

esto mientras el suelo sea estratificado en dos capas y la capa inferior posea una resistividad

mucho más baja que la de la capa superior.

2.3.1 Tamaño de los Conductores

Mediante la ecuación 2.13, la cual es derivación de Sverak, se puede evaluar la corriente

que es capaz de soportar cualquier conductor para el cual la constante de material es conocida

o se puede determinar.

En la Tabla 2.2 se encuentran registradas las constantes de los materiales mas comúnmente usados.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−

aO

mO

rrCmm TK

TK

t

TCAPxAI ln

10 4

2

ρα (2.13)

Donde:

I es el valor rms de la corriente en kiloamperios

2mmA es la sección transversal del conductor en mm2

Tm es la temperatura máxima permisible en ºC

Ta es la temperatura ambiente en ºC

Įr es el coeficiente térmico de resistividad 1/ºC

ȡr es la resistividad del conductor a tierra っ-cm

Ko 1/ go

15

TCAP es la capacidad térmica por unidad de volumen (Tabla 3A)

2.3.2 Aspectos Básicos para el Diseño de una Rejilla

Lo mas importante al momento de diseñar una rejilla para un sistema de puesta a tierra, es

conocer el propósito de la subestación, los pasos para hacer un buen diseño de la rejilla son los

siguientes:

En primer lugar un circuito conductor contínuo debe rodear el perímetro de la subestación

abarcando la mayor cantidad de área como sea posible, recordando que la rejilla se debe

extender fuera de la cerca de la subestación. Esta disposición ayuda a evitar alta concentración

de corriente. Encerrando más área ayuda a reducir el valor de la resistencia a tierra de la malla.

El típico sistema de rejilla consta de conductores de calibre 4/0 AWG enterradas a una

profundidad de 0.3 - 0.5 m debajo del nivel y separadas de 3 -7 m, en una distribución

uniforme en patrón de rejilla.

En situaciones donde no se puede de ninguna manera extender de manera significativa el

área de la malla y donde la resistividad del suelo sea alta, se deben tomar ciertos criterios

como soluciones para reducir los valores de la resistencia a tierra. Entre estos criterios se

pueden destacar el insertar varillas de tierra a grandes profundidades, tratamiento químico del

suelo entre otros.

2.3.3 Selección de los conductores y conexiones

Cada elemento del sistema de aterrizaje, como los conductores de la rejilla, terminales de

conexión y todos los electrodos primarios, deben poseer suficiente conductividad; lo que

contribuirá a la diferencia de los voltajes locales, deben igualmente resistir la fusión y el

deterioro mecánico bajo las condiciones mas adversas de magnitud y duración de una falla.

También debe ser mecánicamente confiable y con alto grado de resistencia y ser capaz de

mantener sus funciones incluso cuando este expuesto a la corrosión.

16

Los conductores mas comúnmente usados en los sistemas de puesta a tierra son de cable de

cobre de un calibre superior del 4/0 AWG, este calibre se escoge por razones mecánicas, el

cobre es el mas utilizado debido a su elevada conductividad.

Los electrodos o varillas de puesta a tierra pueden ser fabricados con tubos o varillas de

hierro galvanizado, el cual puede usarse en terrenos cuya constitución química no ataque dicho

materias, también suelen fabricarse varillas de copperweld, las cuales son las mas utilizadas,

estas se usan en terrenos cuyos componentes son mas corrosivos. Estas barras se encuentran

constituidas por una varilla de hierro a la cual se le adhiere una lámina de cobre, combinando

de esta manera las ventajas de alta conductividad del cobre con la alta resistencia mecánica del

hierro.

Los conectores son utilizados para unir a la red de tierras los electrodos profundos, las

estructuras, los neutros de los transformadores, etc. Los principales son:

a. Conectores atornillados; los cuales se fabrican con bronce con alto contenido de

cobre, formando dos piezas que se unen por medio de tornillos cuyo material esta

formado por bronces al silicio que les da alta resistencia mecánica a la corrosión. (José

Raull Martín, 1987).

b. Conectores a presión; son mas económicos que los atornillados y dan mayor garantía

de buen contacto.

c. Conectores soldados; (cadweld) son los mas económicos y seguros por lo que son los

mas utilizados.

2.3.4 Características del terreno

Al momento de realizar un análisis del suelo que sirva para conocer las características del

mismo. Se debe conocer que la mayoría de los suelos se comportan como un conductor de

resistencia r y como un dieléctrico. La resistividad del suelo no se afecta por el gradiente de

voltaje a menos que este exceda su valor crítico, al exceder este valor se desarrollan arcos

eléctricos en la superficie del electrodo y estos avanzaran hacia el interior del planeta tierra.

17

Caso contrario ocurre con el efecto que tiene la magnitud de la corriente sobre la

resistividad del suelo en las cercanías del electrodo. Las características térmicas y el contenido

de humedad del suelo determinaran si una corriente de magnitud y duración dada causaran

una aridez significativa y así incrementar la resistividad efectiva del suelo.

La condición eléctrica en los suelos es esencialmente electrolítica, cuando el contenido de

humedad en los suelos sea mayor al 15% del peso del suelo aumenta abruptamente a

condición electrolítica. La cantidad de humedad depende del tamaño del grano, la solidez y

variabilidad del mismo. En la Fig. 2.6 se muestra como la resistividad varia con respecto a la

humedad. Cuando el contenido de humedad se reduce por debajo del 22% por peso, la

resistividad crece bruscamente, en este caso se impone el uso de varillas verticales de

suficiente longitud para llegar a las capas de mayor humedad.

Fig. 2.7. Efectos de humedad, sal y temperatura sobre la resistividad del suelo. (IEEE80-2000)

La grava o capa superficial se utiliza con una profundidad que va de 0.08-0.15 m, para

retardar la evaporación de la humedad y así lograr que la capa superior del suelo pierda la

humedad de manera significativa. Al colocar un material de alta resistividad a la capa

superficial es muy valioso para reducir las descargas de corriente. El rango de los valores de

18

resistividad para la capa de material superficial depende de muchos factores, los cuales se

citan en la Tabla 1A, donde se pueden encontrar los valores característicos de la resistividad

para los diferentes materiales.

Para conocer la estructura del suelo se debe conocer la resistividad del suelo en el lugar

donde se piensa construir la subestación, para determinar la composición general del suelo y el

grado de homogeneidad. Normalmente se encuentran suelos estratificados en varias capas,

cada una con diferente resistividad. Estos valores de resistividad se obtienen realizando las

respectivas mediciones y por los métodos adecuados. Los métodos mas usados para la

medición de la resistividad del suelo son el de Schulemberger y el Wenner.

Método Wenner: Este método consiste en cuatro electrodos equidistantes entre sí, a una

distancia “a” entre ellos, donde se inyecta una corriente I en los electrodos externos y se mide

la diferencia de potencial entre los electrodos internos, para ello se utiliza un Megger de tierras

o telurómetro, este aparato inyecta una corriente diferente de 60 Hz para evitar que se realicen

lecturas erróneas debidas a ruidos eléctricos. En la Fig. 2.7 se observa esquemáticamente la

disposición de los electrodos.

Fig. 2.8. Disposición de los Circuitos de Medida Método Geoeléctrico de WENNER (www.procobreperu.org/pub_red_elec01_2.htm)

La resistividad aparente viene dada por la siguiente expresión [ecuación (2.13)]:

( ) ( ) ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

+−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++

=

5.0225.022 44

2

4

21

4

BA

A

BA

A

ARπρ (2.13)

http://www.procobreperu.org/pub_red_elec01_2.htm

19

Donde:

ρ es el valor de la resistividad promedio a la profundidad (A) en ohm-m

A distancia entre electrodos en metros

B profundidad de enterrado de los electrodos en metros

R lectura del telurómetro en ohm

El método Schulemberger es una versión modificada del método Wenner; este método nos

da una mejor sensibilidad para pruebas a distancias mayores.

La interpretación de la resistividad obtenida en el campo es quizás la parte más difícil en el

programa de medición, ya que el objetivo básico es obtener un modelo de suelo lo más

parecido al modelo del suelo existente.

Los modelos de suelo más comunes son el modelo del suelo uniforme y el estratificado en

dos capas. El modelo de suelo uniforme es muy poco probable de conseguir, mientras que el

modelo de dos capas nos lleva a una representación más exacta. Se hará un enfoque en el

modelo de suelo estratificado en dos capas.

2.3.5 Modelo de Suelo en dos Capas

Como se mencionó en el inciso anterior, para este tipo de modelo se tiene una capa

superior de profundidad finita y una inferior de profundidad infinita. El cambio abrupto de la

resistividad en los límites de cada capa del suelo se puede describir mediante un factor de

reflexión K, que se define mediante la ecuación (2.14).

21

12

ρρρρ

+−

=K (2.14)

Donde:

1ρ es la resistividad de la capa superior en ( m−Ω )

2ρ es la resistividad de la capa superior en ( m−Ω )

20

En la IEEE Std 81-1983 provee los métodos para el cálculo de las resistividades

equivalentes de la capa superior e inferior del suelo así como para el cálculo del espesor de la

capa superior.

2.3.6 Evaluación de la resistencia del suelo

Un buen sistema de conexión a tierra por lo general provee un valor bajo de resistencia de

tierra para así minimizar el incremento de potenciales a tierra. En las subestaciones de

transmisión y otras más grandes la resistencia de tierra es comúnmente de 1っ o menos,

mientras para subestaciones de distribución se permite una resistencia a tierra que varíe de 1っ

a 5っ.

Para el cálculo de la resistencia total a tierra existen ciertas ecuaciones, las cuales fueron

desarrolladas por Schwarz. Schwarz utilizo la siguiente ecuación, la cual introdujo Sunde y

Rüdenberg para combinar la resistencia de la rejilla, varillas y la resistencia mutua a tierra, y

de esta forma calcular la resistencia total del sistema, Rg [ecuación 2.15]

m

m

gRRR

RRRR

221

221

−++

= (2.15)

Donde:

1R es el valor de la resistencia a tierra de los conductores de rejilla en っ

2R es el valor de la resistencia a tierra de todas las varillas a tierra en っ

mR es el valor mutuo de la resistencia a tierra entre el grupo de los conductores de rejilla y

el grupo de varillas de tierra en っ.

A continuación se presentan las ecuaciones que definen el valor de la resistencia a tierra:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= 2

11

2ln K

A

LK

a

L

LR CC

Cπρ

(2.16)

21

( ) ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

212 1

21

4ln

2 RrR

RR

nA

LK

b

L

nLR

πρ

(2.17)

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 1

2ln 2

1 KA

LK

L

L

LR C

r

C

C

m πρ

(2.18)

Donde:

ρ resistividad del suelo en m−Ω

CL longitud total en metros de todos los conductores de la rejilla en metros

a es dch ⋅2 , donde dc es el diámetro del conductor

A es el área cubierta por los conductores en m2

21 , KK coeficientes según Fig. 2.9 y 2.10

RL longitud de cada varilla en metros

Rn numero de varillas colocadas en el área A

En las Figs. 2.9 y 2.10 se pueden observar las graficas de los coeficientes K1 y K2 de las

formulas de Schwarz. Los coeficientes de Schwarz son utilizados para el calculo de los

diferentes valores de resistencias, tanto de las varillas como de los conductores, asi como

tambien el valor de la resistencia a tierra mutua entre los conductores y las varillas.

Fig. 2.9. Coeficiente K1 de la formula de Schwarz. (IEEE80-2000)

22

Fig.2.10. Coeficiente K2 de la formula de Schwarz. (IEEE80-2000)

2.3.7 Tratamiento del suelo para bajar la resistividad

En algunos terrenos con alta resistividad, las prácticas de los métodos mas comunes para la

reducción de esta, pueden resultar prácticamente imposibles. Para lograr una reducción de la

resistencia a tierra es incrementar el diámetro de los electrodos, al modificar el suelo alrededor

de los electrodos. Este fenómeno se utiliza como ventaja de la siguiente manera:

El uso de Cloruro de Sodio, magnesio y sulfato de cobre o cloruro de calcio incrementa la

conductividad del suelo inmediatamente alrededor del eléctrodo, estas sales se dispersan en

una zanja alrededor del electrodo de tierra formando un circulo y tapada con tierra, sin tener

contacto directo con el electrodo. Una de las desventajas de este método es la degradación que

existe durante las lluvias, que drenan la sal y la de la corrosión de la varilla.

El uso de bentonita una arcilla natural que contiene el mineral montmorilionita. Este

método consiste en el uso de la bentonita en grietas naturales formadas alrededor del electrodo

de tierra o formando una capa alrededor de este.

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que aun cuando el valor de la resistencia a tierra se

encuentre por debajo de los valores requeridos, puede darse el caso que no cumpla con los

límites de voltajes permitidos para la seguridad del personal y los equipos.

23

En resumen, un bajo valor de resistencia a tierra no garantiza la seguridad del personal

en el terreno sobre el sistema de conexión a tierra y en sus inmediaciones .

2.4 CYMGRD, REDES DE TIERRAS PARA SUBESTACIONES

Este software es una aplicación de CYME Internacional T&D y se encuentra diseñado

especialmente para el análisis y diseño de redes de tierra en subestaciones, el cual ayuda a

optimizar el diseño de nuevas redes y a reforzar las ya existentes. El programa sigue las

premisas y criterios usados en las normas IEEE80-2000, 81-1983 y 837-2002.

El programa realiza el estudio de cualquier configuración de redes de tierras, sean mallas

simétricas o asimétricas de cualquier forma, las varillas de puesta a tierra se pueden colocar

arbitrariamente, realiza el cálculo de la elevación de potencial del suelo (GPR), así como

también la de la resistencia del sistema de tierra (Rg). Realiza los análisis de potenciales de

paso y de superficie dentro y fuera del perímetro de la malla e igualmente evalúa la tensión de

paso, de contacto y de superficie. A continuación se mostrara una breve descripción de cada

uno de los módulos presentes en el programa.

2.4.1 Módulo Análisis del Suelo

El programa CYMGRD en cuanto a las medidas de resistividad del terreno y modelos de

terreno le ofrece la opción entre el modelo de terreno “Uniforme” o “Estratificado en dos

capas”, el programa no admite aún modelos estratificados en múltiples capas. Entre los varios

métodos de medición del terreno, CYMGRD sólo soporta el método Wenner, este se

mencionó en el inciso 2.3.4.

Para el cálculo del modelo óptimo y para minimizar el error medio cuadrático el programa

usa técnicas de gradiente reducido. El término “óptimo” significa que el modelo de terreno

que se deducirá será el que mejor encaje con las mediciones disponibles.

∗ Briceño, Hildemaro. Manual para la medición de la resistencia a tierra de sistemas de conexión a tierra.

24

Una vez que se ha determinado el modelo de terreno, los electrodos subsecuentes, de

cualquier tipo y las estructuras de puesta a tierra analizadas por el programa adoptan el mismo

modelo de terreno. Debe registrarse por lo menos una medición del terreno uniforme y por lo

menos tres mediciones para un terreno estratificado en dos capas.

En los modelos estratificados en dos capas, el programa calcula la resistividad de las capas

inferior y superior de terreno y también el espesor. La segunda capa, es decir la capa inferior

se considera infinitamente profunda y el programa calculará simplemente su resistividad.

En cuanto al análisis de seguridad esta opción permite al usuario estimar la máxima

tensión de paso y de contacto admisible, bajo condiciones específicas de superficie y de

exposición. Los cálculos de evaluación de la seguridad respetan las prácticas normalizadas

norteamericanas descritas en el "IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding", edición

2000. Esta norma requiere los datos siguientes:

Peso corporal de la víctima de choque eléctrico (por omisión es 70 kg., con una alternativa

de 50 kg.). El espesor y la resistividad del material colocada sobre la superficie de la tierra de

cobertura natural de la subestación. La resistividad de terreno de las capas superior e inferior y

el espesor de la capa superior de la tierra de cobertura natural. Duración del choque eléctrico.

2.4.2 Análisis de la Malla

El módulo “Análisis de malla” permite calcular la resistencia del sistema de puesta a tierra,

la elevación de potencial de tierra (GPR) y los gradientes de potencial en la superficie del

terreno. Estos resultados son necesarios para evaluar la conveniencia del diseño de la malla y

la seguridad del personal que trabaja en el área.

Generalmente una subestación consta de dos o más barras, se debe identificar cada una de

las barras y los parámetros correspondientes a cada una.

Para determinar el tamaño mínimo requerido del electrodo, se necesita conocer del factor

de corrección (Factor de decremento), los parámetros constantes del material del electrodo y el

25

valor de la temperatura ambiental. Luego de haber introducido los datos requeridos el

programa presenta un reporte donde se muestran los datos introducidos en el

dimensionamiento del electrodo.

Si se usa un modelo estratificado en dos capas, los conductores de la malla deben estar

situados en la capa superior. Las varillas de tierra pueden atravesar el límite de las dos capas.

Introducción de los datos de la malla de puesta a tierra. CYMGRD clasifica los

componentes de la malla en cinco (5) categorías: los conductores de malla dispuestos

simétricamente, los conductores de malla dispuestos asimétricamente, las varillas de puesta a

tierra dispuestas simétricamente, las varillas de puesta a tierra dispuestas asimétricamente y

los conductores de arco.

Los conductores de malla dispuestos simétricamente son de forma rectangular con un

número de conductores instalados a lo largo del eje largo y corto, creando así una malla. El

programa supone que los conductores de malla dispuestos simétricamente están enterrados

horizontalmente y orientados a lo largo de dos ejes perpendiculares (los ejes X e Y en la

ventana gráfica). Se supone que la distancia entre los conductores es la misma a lo largo de

cada eje pero la distancia del eje Y puede variar de la del eje X.

El conductor dispuesto asimétricamente es un conductor recto situado entre dos puntos

definidos por las coordenadas (X1,Y1,Z1) y (X2,Y2,Z2). Los conductores asimétricos

inclinados pueden ser representados con el modelo (coordenada Z). No es el caso de las

disposiciones simétricas que se introducen con la misma profundidad de entierro (X, Y). Cada

conductor puede tener un diámetro diferente, lo que no es el caso en disposiciones simétricas

que comparten un diámetro común.

Varillas de puesta a tierra dispuestas simétricamente. Al igual que los conductores el

programa ofrece la opción de insertar varillas, ya sean de manera simétrica o asimétrica.

Una conformación simétrica de varillas de puesta a tierra cubre un área rectangular donde

las varillas están colocadas en filas paralelas al eje X y todas las varillas en la fila tienen la

26

misma distancia. Todas las varillas definidas en la misma formación tienen la misma

profundidad de entierro, longitud y diámetro.

Varillas de puesta a tierra dispuestas asimétricamente. Este tipo de configuración es una

simple fila de varillas de igual distancia. La posición de la primera varilla es determinada por

las coordenadas (X1,Y1,Z1) y por la posición de la última varilla de la fila, por las

coordenadas (X2,Y2,Z2). El extremo superior de cada varilla se encuentra en la línea recta

entre estos dos puntos. Todas las varillas definidas en la misma conformación tienen la misma

distancia y diámetro. Si se especifica una sola varilla, se registra entonces solo las

coordenadas del punto inicial (X1,Y1, Z1).

Sobre la modelación de las estructuras de puesta a tierra El electrodo “Primario” es la

estructura de puesta a tierra que absorbe la corriente de falla. La hipótesis analítica de base

que hace CYMGRD, basándose en las normas internacionales, es que el sistema entero de

puesta a tierra que absorbe la corriente de falla y la difunde hacia el suelo se eleva a un solo

potencial. Esta es la elevación de potencial de tierra del electrodo primario, es decir el GPR

calculado. Por lo tanto, la caída de tensión a lo largo de los electrodos de puesta a tierra no se

modela. Además, se supone que las estructuras de puesta a tierra poseen solo una resistencia

(el programa no modela ningún componente reactivo en las mallas y estructuras de puesta a

tierra).

2.4.3 Módulo de Gráficado

El módulo de graficado sirve para calcular y visualizar los resultados del análisis de

potencial de superficie. Este módulo permite evaluar los puntos de peligro en distintos puntos

de la superficie y/o áreas de la subestación. Se pueden generar representaciones en 2-D y 3-D

ilustrando los contornos equipotenciales de contacto y/o de superficie. Estos pueden tener un

código de color.

Los diagramas de potencial de paso y de contacto pueden generarse en direcciones lineares

especificando los puntos inicial y final y el tamaño de paso, pueden generarse estos estudios

en áreas especificas de interés.

27

Cada vez que se genera un gráfico de contorno, el programa produce el reporte tabular

correspondiente. Este reporte contiene, entre otros, el punto de máximo potencial encontrado

dentro del área seleccionada. Este punto es interesante ya que representa para los contornos de

tensión de contacto, el gradiente más escarpado encontrado en el análisis.

Los diagramas de perfil son útiles cuando se desea que el análisis abarque solo un eje para

evaluar los potenciales de contacto y de superficie y no toda el área de la malla o un simple

punto de coordenada. Otra utilidad importante para generar estos diagramas es la evaluación

de los potenciales de paso.

El programa CYMGRD presenta una solución rápida y confiable, ya que con el uso del

mismo se estará ahorrando una gran cantidad de cálculos.

MALLA EXISTENTE

El diseño da la malla de la Subestación Caja Seca se realizó en el año 1978 una fotografía de

su plano original (Figura 1A), muestra la configuración de la malla existente, este diseño se

realizó tomando en cuentas las necesidades y la capacidad de la subestación para el momento

del diseño.

Tomando el plano original se procedió a digitalizarlo llevando el diseño al Programa

CYMGRD, tomando en cuenta la ampliación realizada en la capacidad de la subestación, es

decir se utilizó para el análisis la corriente de cortocircuito presente en la subestación y de esta

manera poder evaluar la situación actual en la que se encuentra y observar mediante la ayuda

del programa los actuales niveles de tensiones de paso y de contacto, como también estudiar el

valor de la resistencia de la malla a tierra presente en la misma.

3.1 ANÁLISIS DEL SUELO

Lo primero a realizar es el estudio de la resistividad del suelo, para ello se realizaron en el

terreno cercano a la subestación las respectivas mediciones utilizando el Megger digital o

telurómetro, se efectuó de esta manera debido a que si se realizaba dentro de la misma, esto

iba a generar potenciales de superficie, lo cual iba a arrojar errores en la medición.

En el programa en su módulo de análisis del suelo, se introducen las respectivas

mediciones y este efectúa el estudio de la resistividad del suelo en base a las mediciones de

campo e introduciendo los parámetros de seguridad, como el peso corporal, el tiempo de

exposición a la corriente, entre otros, con esto se obtendrá el modelo del suelo.

29

Los valores obtenidos mediante el método Wenner se muestra en la Tabla 3.1, donde se

puede observar el valor de resistencia medida y el valor de la resistividad calculada. Estas

mediciones fueron introducidas al programa, el cual mostró el reporte del análisis del suelo y

la curva característica (Grafico 3.1).

El programa tiene la opcion de la introducir los datos de la resistencia medida por el

Megger o la de la resistividad calculada, sin embargo, al introducir cualquiera de las dos la

otra se obtiene por defecto.

Las mediciones realizadas arrojan el valor de la resistencia medida, para obtener la

resistividad, se utiliza la ecuación (2.19).

Ra ⋅⋅⋅= πρ 2 )( m−Ω (2.19)

Tabla 3.1. Mediciones de Campo realizadas con el Megger Digital de la Resistividad del Suelo

Distancia entre Sondas (m)

Resistencia (Ȏ)

Resistividad (Ȏ-m)

1 180.3000013 1132.8583

2 72.40000024 909.80522

3 42.40000014 799.22116

4 22.59999992 567.99994

5 15.09999992 474.38048

6 10.60000003 399.61058

7 7.699999948 338.66368

8 5.500000024 276.46015

9 4.19999999 237.5044

10 3.200000057 201.06193

A continuación se muestra el Gráfico 3.1, en el cual se muestra la curva modelo del terreno

mostrando cada punto con su respectivo valor.

30

Gráfico 3.1. Curva de análisis del suelo, Programa CYMGRD

En esta curva se puede observar las distancias entre los electrodos y los respectivos valores

de la resistividad en ese punto, como se menciono anteriormente en la descripción del

programa las mediciones que se desvían de los errores medios cuadráticos se denota con una

equis (x), estas mediciones se pueden tomar o bien pueden descartarse, sin embargo para este

estudio se tomaran en cuenta todas las mediciones ya que el valor del error medio cuadrático

se encuentra por debajo del 10%, lo cual es aceptable para el estudio.

En el reporte del análisis del suelo se pueden observar los resultados de la simulación, las

resistividades medidas y calculadas del espaciamiento de los electrodos figuran en la lista con

los errores asociados. Se muestra en la Tabla 3.2 el reporte del análisis del suelo.

Tabla 3.2. Reporte del análisis del suelo

Reporte del análisis de suelo Thursday, February 05, 2009, 10:21:18

Nombre de la subestación CAJA SECA Proyecto ANALISIS MALLA EXISTENTE Estudio S/E Caja Seca

Parámetros Título Análisis del Suelo

31

Tabla 3.2. Reporte del análisis del suelo (Continuación)

Reporte del análisis de suelo Thursday, February 05, 2009, 10:21:18

Modelo de suelo Estratificado en 2 capas Modelo securitario IEEE Std. 80-2000 Peso corporal 50 kg Espesor de la capa superficial 0.2 metros Resistividad de la capa superficial 3000 ohm-m Duración del choque eléctrico 0.5 secs

Resultados de salida

Espesor de la capa superior 2.83 metros Resistividad de la capa superior 1073.22 ohm-m Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m Factor Cs de reducción 0.882034 Tensión máxima de contacto 815.18 voltios Tensión máxima de paso 2768.59 voltios Error RMS 5.13 %

Valores puestos en tabla

Distancia sondas Resistividad medida Resistividad

calculada Error

(metros) (ohm-m) (ohm-m) (%)

1 1132.8583 1051.67 -7.17

2 909.8052200001 945.7 3.95

3 799.22116 782.37 -2.11

4 567.99994 619.09 8.99

5 474.38048 485.1 2.26

6 399.6105799999 385.69 -3.48

7 338.66368 315.64 -6.8

8 276.46015 267.56 -3.22

9 237.5044 235.07 -1.02

10 201.06193 213.11 5.99

En este reporte se muestra el valor en cada punto y los respectivos errores medios

cuadráticos, los resultado en rojo muestras los posibles puntos dudosos que se observan en la

curva del modelo de la resistividad del suelo.

En los resultados de salida se observa los datos correspondientes al modelo del suelo en

estudio, como el espesor de la capa superior y su resistividad, al igual que el de la capa

inferior. Igualmente se observan los valores máximos admisibles de las tensiones de paso y de

contacto. En los parámetros del suelo se tomó en cuenta que actualmente la subestación cuenta

32

con una capa de piedra picada de 0.2 m de espesor, un peso corporal de 50 kg y una duracion

del choque electrico de 0.5 seg.

A modo de comparación se realizó el estudio de la resistividad del suelo con el programa

pt&sd, algoritmo realizado por el Ingeniero Hildemaro Briceño, este programa fue diseñado

para el estudio de las caracteristicas del suelo. Por lo que se realizara el analisis para el estudio

en cuestion. La Fig 3.1 muestra los valores de resistencia y de resistividad para el estudio en

cuestion. De manera mas clara se observan estos valores en la Tabla 3.4.

Fig. 3.1. Reporte de la resistividad del suelo usando el programa PT&SD

Tabla 3.3. Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas

por el programa PT&SD.

A (m)

Resistencia (Ȏ)

Resistividad (Ȏ-m)

1 180.3 1132.858

2 72.4 909.8052

3 42.4 799.2211

4 22.6 567.9999

33

Tabla 3.3. Valores en tabla de los valores de resistividad del suelo dadas por el programa PT&SD.(Continuación)

A

(m) Resistencia

(Ȏ) Resistividad

(Ȏ-m)

6 10.6 399.6106

7 7.699999 338.6637

8 5.5 276.4601

9 4.2 237.5044

10 3.2 201.0619

En el Gráfico 3.2 se muestra la Curva Modelo del terreno y seguidamente se muestra la

tabla de valores correspondientes a esta curva (Tabla 3.4).

Curva Modelo del terreno

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1,000.00

1,200.00

0 2 4 6 8 10 12

Distancia entre sondas (m)

Valo

res d

e resis

tivid

ad (ohm

-m)

Resistividad de Campo (ohm-m)

Resistividad Modelo (ohm-m)

Gráfico 3.2. Curva modelo del terreno

Tabla 3.4. Medidas de Resistividad.

Valor de a (m) Resistividad de Campo (Ȏ-m)

Resistividad de Modelo (Ȏ-m)

1 1,132.86 1051.67

34

Tabla 3.4. Medidas de Resistividad (Continuación)

2 909.81 945.7

3 799.22 782.37

4 568.00 619.09

5 474.38 485.1

6 399.61 385.69

7 338.66 315.64

8 276.46 267.56

9 237.50 235.07

10 201.06 213.11

Los valores de resistividad se encuentran en los puntos de inflexión de la curva del modelo

de la resistividad del suelo, al introducir dichos valores en el programa este arrojo los

resultados mostrados en la Fig.3.2.

Fig. 3.2. Datos del modelo del terreno usando PT&SD.

35

Donde se observa;

Tabla 3.5. Datos obtenidos de la curva modelo del terreno PT&SD

Capa superior: 1094.832 Resistividad (Ȏ-m)

Capa Inferior: 206.2509

Grosor (m)

2.41

Error relativo R.M.S

8.827E-02

Numero de iteraciones

21

Donde se puede observar que estos resultados se encuentran muy cercanos a los

obtenidos mediante el uso del programa CYMGRD.

3.2 ANÁLISIS DE LA MALLA

Luego de realizar el estudio del análisis del suelo, se pasa al modulo de análisis de la

malla.

Para poder conocer como realiza el estudio el programa CYMGRD se debe señalar que el

programa puede analizar sistemas de puesta a tierra en configuraciones simétricas y

asimétricas. Un sistema de puesta a tierra consta de electrodos que el programa divide en

elementos para fines de cálculo. Si se usa un modelo estratificado en dos capas, los

conductores de la malla deben estar situados en la capa superior. Las varillas de tierra pueden

atravesar el límite de las dos capas. La geometría de la subestación y el modelo de terreno tal

como fueron definidos en el “Análisis de terreno” son factores importantes para el cálculo de

la resistencia de la subestación. Para calcular la elevación de potencial de tierra también se

necesita conocer la corriente inyectada.

Debido a que el estudio de la malla de puesta a tierra de la subestación Caja Seca parte de

una malla existente se debe realizar la digitalización del plano existente, el proceso se realizó

introduciendo directamente los conductores con sus respectivas coordenadas en el programa a

36

manera de armar la malla. Como se menciono anteriormente una fotografía del plano de la

malla existente se muestra en la Figura anexa (Figura 1A anexa)

Para obtener el diseño de la malla en el programa se procedió a introducir al mismo las

coordenadas de cada uno de los conductores existentes en la malla. El conductor utilizado es

un conductor calibre 4/0 AWG de Cobre recocido duro al 97%, cuyo diámetro es de 13.462

mm y a una profundidad de 1 m, ya que según la información suministrada por la empresa esta

se encuentra a esta profundidad. A continuación se muestra la tabla correspondiente a los

conductores.

Tabla 3.6. Tabla de conductores dispuestos en la malla existente.

Activado Tipo X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de elementos conductores

Diámetro (mm)

Activado Primario 0 0 1 78 0 1 1 13.462



Activado Primario 7.5 0 1 7.5 56 1 1 13.462



Activado Primario 17.5 11 1 78 11 1 1 13.462

Activado Primario 7.5 5.5 1 28.5 5.5 1 1 13.462








Activado Primario 12 15 1 17.5 15 1 1 13.462

Activado Primario 17.5 20.5 1 78 20.5 1 1 13.462



Activado Primario 0 45.5 1 78 45.5 1 1 13.462

Activado Primario 0 13.5 1 7.5 13.5 1 1 13.462

37

Tabla 3.6. Tabla de conductores dispuestos en la malla existente. (Continuación)

Activado Tipo X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de elementos conductores

Diámetro (mm)

Activado Primario 0 21 1 7.5 21 1 1 13.462




El programa toma los valores correspondientes y los lleva a una malla digitalizada. En la

Fig. 3.3, se muestra la configuración de la malla existente en la Subestación Caja Seca.

Fig. 3.3. Configuración de la malla.

En el modulo de análisis de la malla se observan los conductores existentes con sus

respectivas coordenadas, el reporte del análisis de la malla se muestra en la Tabla 3.9.

Tabla 3.9. Reporte de análisis de la malla existente.

Reporte de análisis de la malla Tuesday, February 10, 2009, 13:28:22

Nombre de la subestación CAJA SECA

Proyecto ANALISIS MALLA EXISTENTE

Estudio S/E Caja Seca

Parámetros

Spec. Z paralelo equivalente Z infinito

Frecuencia nominal 60 hz

Nombre de la barra 115

Corriente de falla LG 2580 amps

38

Tabla 3.9. Reporte de análisis de la malla existente. (Continuación)

Contribución a distancia 100 %

Espesor de la capa superior 2.83 metros

Resistividad de la capa superior 1073.22 ohm-m

Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m


Elevación del potencial de tierra 5893.42 voltios

Resistencia de tierra calculada 2.17242 ohmios

Impedancia equivalente 2.17195 ohmios

X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Longitud Radio Corriente Electrodo

(metros) (mm) (amps) (#)

0 0 1 78 0 1 78 6.6 206.4292 Asy 1

0 0 1 0 56 1 56 6.6 153.3539 Asy 2

0 56 1 78 56 1 78 6.6 206.0953 Asy 3

7.5 0 1 7.5 56 1 56 6.6 125.6294 Asy 5

12 0 1 12 56 1 56 6.6 123.1309 Asy 6

17.5 11 1 17.5 56 1 45 6.6 98.8978 Asy 7

17.5 11 1 78 11 1 60.5 6.6 122.9113 Asy 8

7.5 5.5 1 28.5 5.5 1 21 6.6 46.8487 Asy 9

28.5 0 1 28.5 56 1 56 6.6 111.4755 Asy 10

34.5 0 1 34.5 56 1 56 6.6 103.7238 Asy 11

39 0 1 39 56 1 56 6.6 102.5114 Asy 12

44.5 0 1 44.5 56 1 56 6.6 108.1667 Asy 13

53.2 0 1 53.2 56 1 56 6.6 111.315 Asy 14

58.2 0 1 58.2 56 1 56 6.6 115.9582 Asy 15

70.7 0 1 70.7 56 1 56 6.6 131.9341 Asy 16

78 0 1 78 56 1 56 6.6 156.986 Asy 17

12 15 1 17.5 15 1 5.5 6.6 10.5501 Asy 18

17.5 20.5 1 78 20.5 1 60.5 6.6 114.0174 Asy 19

28.5 28 1 78 28 1 49.5 6.6 90.1287 Asy 20

17.5 36 1 78 36 1 60.5 6.6 114.8221 Asy 21

0 45.5 1 78 45.5 1 78 6.6 157.5455 Asy 22

0 13.5 1 7.5 13.5 1 7.5 6.6 17.1603 Asy 23

0 21 1 7.5 21 1 7.5 6.6 16.4796 Asy 24

0 27.5 1 7.5 27.5 1 7.5 6.6 16.5045 Asy 25

0 37.5 1 7.5 37.5 1 7.5 6.6 16.864 Asy 26

Longitud total de los conductores primarios 1182.5 metros

Número total de elementos 25

En este reporte se listan las coordenadas de los elementos de la malla y la corriente que

cada elemento difunde a tierra. En la última columna se indica el número de referencia a que

corresponde el montaje. El número de referencia es el número de fila de la entrada del dato en

la hoja de cálculo. También cabe destacar que nos indica el valor de la resistencia a tierra

calculada el cual presenta un valor elevado, recordando que el valor de la resistencia a tierra en

subestaciones de transmisión no debe exceder Ω1 .

39

Igualmente en este reporte se presentan los parámetros necesarios para el cálculo de la

elevación de potencial a tierra, resistencia de la malla a tierra y de la impedancia equivalente

presentes en la malla existente en la subestación.

Al realizar el análisis de los diagramas de contornos y de perfile de los potenciales de

paso, contacto y de superficie se deben introducir en el programa el valor de la corrientes de

cortocircuito presente.

El valor de la corriente de cortocircuito se obtienen de los datos suministrados por

CADAFE en los cálculos ejecutados en corrientes de cortocircuito (Tabla 2A anexa), donde se

muestran los valores de la corriente de cortocircuito tanto monofásica como trifásica.

La corriente de cortocircuito presenta un valor de:

kAI K 580.2=

3.2.1 Diagrama de Contorno de Potencial

Obtenida la corriente de cortocircuito se procede a realizar el estudio del diagrama de

contorno de la malla, donde se puede observar los gradientes de potencial a lo largo del área

de la malla.

La malla existente en la subestación Caja Seca no posee electrodos de puesta a tierra y su

configuración tampoco presenta una distribución uniforme de los conductores que forman la

cuadrícula, pues de dicha geometría se puede entender que fueron conductores colocados

arbitrariamente y unidos con soldadura auto-fundente.

Tabla 3.10. Datos de la barra.

Nombre de la barra

Corriente de falla

LG (amps)

Duración de la falla

(segs.)

Contribución telemandada

(%) LG X/R

Rtg (ohms)

Líneas de

transmisión

Rdg (ohms)

Líneas de

distribución

115 2580 0.5 100 20 100 4 200 1

40

En la Tabla 3.10 se puede observar los valores correspondientes a la corriente de

cortocircuito de la malla existente, luego al realizar el análisis de contorno obtenemos la

grafica correspondiente al análisis de los gradientes de potencial existentes en la malla.

Fig. 3.4. Diagrama de Contorno de Potencial Malla existente.

Al generarse el gráfico de contorno se estudia el punto de máximo potencial encontrado

dentro del área seleccionada. Este punto representa para las tensiones de contacto el gradiente

mas escarpado encontrado en el análisis. Este se indica con una cruz amarilla, en la Fig. 3.4 se

puede observar con claridad la ubicación del punto de máximo potencial.

De igual manera en una visión en 3D Fig. 3.4, se puede observar este punto de máximo

potencial.

41

Fig. 3.5. Diagrama de contorno en 3D Malla existente.

En el reporte correspondiente al análisis de los gradientes de potenciales de contacto se

pueden observar todos los parámetros tomados en cuenta para el estudio y los datos resultantes

del análisis en cuestión. En la Tabla 3.11, se tiene este reporte.

Tabla 3.11. Reporte de contorno de potencial de la Malla existente.

Reporte de contorno de potencial Tuesday, February 10, 2009, 14:29:35




Parámetros

Título CONTORNO DE POTENCIAL MALLA EXISTENTE




Corriente del electrodo de retorno 0 amps




Potenciales iguales (distintos) Sí

42

Tabla 3.11. Reporte de contorno de potencial de la Malla existente. (Continuación)

X1 0 metros

Y1 0 metros

X2 78 metros

Y2 56 metros

Intervalos X 60 Intervalos Y 60

Niveles de umbral del potencial de contacto

Tensión máxima de contacto 815.18 voltios

0 271.727 543.453 815.18 1086.91 (0%) (33.33%) (66.67%) (100%) (133.33%)

Máximo

Potencial de contacto en los

puntos 3472.41 voltios Corriente LT Permitida 605.546 amps X (metros) Y (metros)

65 4.66667

En este reporte se muestran los niveles de umbral de contacto, en esta barra se observa que

el valor de la tensión máxima de contacto en la subestación es de 815.18 V, los colores indican

cuanto porcentaje de esta tensión se encuentra presente en la malla.

Al visualizar la Fig. 3.4, se puede establecer que por el color uniforme en la malla y de

acuerdo a la barra de colores que representan los niveles umbrales, la malla presenta una

elevación significativa en cuanto al potencial de contacto existente. Cabe destacar que esta se

encuentra sobre el 33.33 % del valor máximo tolerable. Posteriormente se realizara el estudio

de los niveles de potenciales, donde se observara un mejor enfoque en cuanto a la seguridad de

la malla.

3.2.2 Diagrama de Perfil de Potencial

Los niveles de los potenciales presentes en la malla se observan de mejor manera al

realizar el estudio de los diagramas de perfil, donde se mostraran los valores de los potenciales

de paso en toda la extensión de la malla, además de las tensiones de contacto y de superficie.

43

Gráfico 3.3. Diagrama de perfil de Potencial de la Malla existente.

El respectivo reporte de este análisis se encuentran en la Tabla 3.12.

Tabla 3.12. Reporte del perfil de potencial.





Parámetros

Título PERFIL DE POTENCIAL MALLA EXISTENTE




Corriente del electrodo de retorno 0 amps





X1 0 metros

Y1 0 metros

X2 78 metros

Y2 56 metros

44

Tabla 3.12. Reporte del perfil de potencial. (Continuación)


Intervalo entre los pasos 1 metros



Tensión máxima de paso 2768.59 voltios


Máximo

Potenciales de superficie 4670.55 voltios

Potenciales de paso 476.96 voltios

Potenciales de contacto 3314.29 voltios

En el Gráfico 3.3, como se mencionó anteriormente, se puede tener un mejor enfoque de

los valores de los potenciales de contacto, los cuales se encuentra muy por encima del valor

máximo permitido, lo que concuerda justamente con el problema presente en la subestación en

cuanto a las molestias expuestas por los operarios.

En este reporte se destacan los niveles umbrales de los potenciales de contacto y de paso

para un paso de 1 m y los valores máximos permisibles.

Por esta razón es conveniente realizar una mejora a esta malla, dicha mejora se realizará

mediante el reforzamiento de esta. Luego se realizará el diseño de una nueva malla que

cumpla con los parámetros y criterios exigidos tanto por la norma IEEE80-2000 como en las

especificaciones técnicas generales y particulares de CADAFE referentes al sistema de puesta

a tierra.

RECONFIGURACIÓN DE LA MALLA

En este capítulo se realizará la mejora de la malla de puesta a tierra, como también las

modificaciones necesarias para tratar de reducir los sobrevoltajes existentes y el valor de la

resistencia de puesta a tierra de la malla, para que estos se adecuen a los criterios exigidos para

subestaciones de transmisión.

4.1 PROBLEMA

Como se pudo observar en el desarrollo del capítulo 3, al realizar el estudio de la malla

existente en la subestación Caja Seca, esta presenta una deficiencia en su seguridad en cuanto

a los niveles de los potenciales de contacto presentes, ya que estos valores se encuentran por

encima del valor máximo permitido, ocasionando de esta manera que las operaciones en la

misma resulten peligrosas. Igualmente el valor de la resistencia de puesta a tierra no cumple

con el valor mínimo exigido para subestaciones de transmisión.

Se procederá a realizar a manera de estudio el diseño de una nueva malla para esta

subestación, siguiendo los criterios de la IEEE2000-80 y a las normas exigidas por CADAFE

para el diseño de redes de tierra.

4.2 PROPUESTA DE SOLUCIÓN

El principal objetivo a lograr para la mejora en una malla a tierra deficiente, es la

reducción de las diferencias de potencial en las superficies de las instalaciones al producirse

46

una falla a tierra, ya que esto asegura la integridad de las personas que se encontraran

expuestas a las corrientes de fallas a tierra. Así se debe denotar que aunque el valor de la

resistencia a tierra sea bajo no implica que la malla sea segura bajo una condición de falla, ya

que puede darse el caso de que no cumpla con los niveles de voltajes permitidos. La

resistencia a tierra es un indicador de cuan efectivo esta el sistema para el retorno de las

corrientes de falla.

En el Capítulo 2 se describieron las diferentes opciones para la reducción del valor de la

resistencia de puesta a tierra y de los sobrevoltajes presentes, para hacer que la malla eficiente

y segura. Se optó por la solución más factible y viable de acuerdo a las necesidades de la

empresa, como lo es el aumento del área de la malla e inserción de conductores horizontales y

de varillas de puesta a tierra.

Debido a la mal distribución de los conductores en la malla existente se efectuará la

creación de una malla periférica a una profundidad de 0.5 m, esto debido a que sobre la malla

existente resultaría difícil trabajar, ya que es una subestación que se encuentra operando y

cuyos equipos obstaculizan trabajar sobre la misma, sin embargo se procederá a la inserción

de conductores en ciertas zonas donde no se encuentre ningún equipo (adyacencias de la cerca

de la subestación).

Sobre la malla periférica se introducirán electrodos de puesta a tierra a cierta profundidad

con la finalidad de llegar a la zona de menor resistividad, e igualmente se insertaran estos a lo

largo de la malla existente, en las uniones donde sean necesarias y colocadas a las distancias

recomendadas.

4.3 MALLA PERIFÉRICA

El estudio de la mejora a la malla existente se realizará igualmente usando como

herramienta el programa CYMGRD, el análisis del suelo es el mismo usado en el estudio de la

malla existente, ya que el valor de la resistividad no se ve afectado por la introducción de

nuevos conductores y varillas de puesta a tierra.

47

Por lo tanto el estudio comenzará con la inserción de los conductores horizontales y de las

varillas de puesta a tierra. Tomando el modelo de la malla existente se trabajara sobre esta

creando una malla periférica, la cual se extenderá 10 m a cada lado de la malla existente pero a

una profundidad de 0.5 m, como se mencionó anteriormente.

4.3.1 Análisis del Suelo

Los datos para el diseño se tabularan en la Tabla 4.1, estos datos son exportados del

análisis realizado en el capítulo 3 y se denotarán en la mismas los datos de los parámetros

utilizados para el diseño.

Se utilizaron los siguientes datos:

Tabla 4.1. Parámetros del suelo y de seguridad de la malla.

Resistividad de la Capa Superior del terreno

1073.22 Ω-m

Resistividad de la Capa Inferior del terreno

157.54 Ω-m

Resistividad Capa superficial del terreno

3000 Ω-m

Espesor capa piedra picada 0.2 m

Profundidad de la malla de tierra 0.5 m

Temperatura ambiente 40 ºC

Temperatura máxima de operación de uniones exotérmicas

450 ºC

Temperatura máxima de operación de uniones a compresión

250 ºC

Corriente de cortocircuito 2580 A

Tiempo total de despeje 0.5 s

Relación X/R del sistema 20

Largo de la malla de Tierra 78 m

Ancho de la malla de tierra 56 m

Separación entre perímetro de la malla de la cerca

1.5 m

Peso corporal 50 kg

48

4.3.2 Selección del Conductor.

Para la selección del conductor a usar, la norma IEEE80-2000 y según las normas de la

empresa CADAFE se recomienda como conductor mínimo el de calibre 4/0 AWG de cobre

desnudo.

Datos del conductor (los datos de los conductores se encuentran en la Tablas 3A y 4A

anexa):

Calibre Nº 4/0 AWG

Diámetro (dc) = 13.462 mm

Sección (A) = 107.3 mm2

ts = 0.5 seg

TCAP = 3.42

とr (20ºC) = 1.78

gr (20ºC) = 0.00381

K0 = 242

Ta = 40 ºC

Tm = 450 ºC

Teniendo los parámetros de la malla y los datos del conductor se procede verificar de que

este pueda soportar la corriente de falla que circulará por la misma, para este cálculo se hace

uso de las ecuación 2.13 indicada por la norma IEEE80-2000 y la cual se encuentra descrita en

el Capítulo 2 de este informe.

Recordando y evaluando la ecuación 2.13, se obtiene:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++

⋅⋅⋅

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

++

⋅⋅⋅

⋅=−−

40234

450234ln

00381.078.15.0

1042.33.107

40234

450234ln

10 44

2

rrmm ts

TCAPAI

ρα

49

kAkAI 580.259.32 ≥=

Este valor es menor que el de la corriente de falla que circulara por la malla, por lo tanto el

conductor es adecuado para el diseño.

Ahora se insertaran los conductores en el programa CYMGRD para realizar el estudio del

nuevo diseño de la malla.

El diseño de la malla periférica se usara tomando en cuenta que la separación entre

conductores será de 3 m y se colocaran electrodos de puesta a tierra de manera intercalada.

En la siguiente tabla se observa la distribución de los conductores, tanto de la malla

existente como los insertados para el diseño de la malla periférica con los parámetros del

conductor seleccionado.

A continuación se resumen los datos obtenidos con la ayuda de la norma IEEE80-2000 y

del software CYMGRD.

Tabla 4.2. Datos del conductor.

Conductor para la malla

Denominación Cobre comercial de duro trenzado

Conductividad 97%

Calibre 4/0 AWG

Estos datos son insertados en la entrada de datos de los conductores como el material y el

calibre, el programa inserta de manera automática el valor del diámetro correspondiente a ese

conductor.

Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada.

Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de

elementos conductores

Material

Tamaño

Diámetro (mm)

Activado 1 0 0 1 78 0 1 1 Copper

commercial hard-drawn

4/0 AWG 13.462

50

Tabla 4.3. Datos de los Conductores dispuestos en la Malla Mejorada. (Continuación)

Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de


Material

Tamaño

Diámetro (mm)



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462

Activado 5 7.5 0 1 7.5 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462


commercial hard- drawn

4/0 AWG 13.462

Activado 8 17.5 11 1 78 11 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 9 28.5 0 1 28.5 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 10 34.5 0 1 34.5 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462

Activado 12 44.5 0 1 44.5 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 13 53.2 0 1 53.2 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 14 58.2 0 1 58.2 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 15 70.7 0 1 70.7 56 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 16 78 0 0.5 78 56 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 17 17.5 20.5 1 78 20.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 18 28.5 28 1 78 28 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

51


Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de


Material

Tamaño

Diámetro (mm)

Activado 20 0 45.5 1 78 45.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 21 0 13.5 1 7.5 13.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 22 0 21 1 7.5 21 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 23 0 27.5 1 7.5 27.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 24 0 37.5 1 7.5 37.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462


commercial hard 4/0 AWG 13.462

Activado 26 0 5.5 1 78 5.5 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462

Activado 29 7.5 15 1 78 15 1 1 Copper


4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462


commercial hard- 4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462



4/0 AWG 13.462

Activado 36 -10 -10 0.5 -10 66 0.5 1 Copper


52


Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de


Material

Tamaño

Diámetro (mm)

Activado 38 88 66 0.5 88 -10 0.5 1 Copper


Activado 39 -10 -10 0.5 88 -10 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 40 -5 -10 0.5 -5 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 41 -10 -5 0.5 88 -5 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 42 -10 61 0.5 88 61 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 43 83 -10 0.5 83 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 44 0 -10 0.5 0 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 45 5 -10 0.5 5 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 46 11 -10 0.5 11 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 47 17 -10 0.5 17 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 48 23 -10 0.5 23 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 49 29 -10 0.5 29 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 50 35 -10 0.5 35 0 0.5 1 Copper


Activado 51 41 -10 0.5 41 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 52 47 -10 0.5 47 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 53 53 -10 0.5 53 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 54 59 -10 0.5 59 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

53


Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de


Material

Tamaño

Diámetro (mm)

Activado 55 65 -10 0.5 65 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 57 78 -10 0.5 78 0 0.5 1 Copper


Activado 58 -10 0 0.5 0 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 59 -10 5 0.5 0 5 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 60 -10 10 0.5 0 10 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 61 -10 15 0.5 0 15 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 62 -10 20 0.5 0 20 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 63 -10 25 0.5 0 25 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 64 -10 30 0.5 0 30 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 65 -10 35 0.5 0 35 0.5 1 Copper


Activado 66 -10 40 0.5 0 40 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 67 -10 45 0.5 0 45 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 68 -10 50 0.5 0 50 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 69 -10 56 0.5 0 56 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 70 0 56 0.5 0 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 71 5 56 0.5 5 66 0.5 1 Copper


Activado 72 11 56 0.5 11 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 73 17 56 0.5 17 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 74 23 56 0.5 23 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 75 29 56 0.5 29 66 0.5 1 Copper


54


Activado

Tipo

X1 (m)

Y1 (m)

Z1 (m)

X2 (m)

Y2 (m)

Z2 (m)

Número de


Material

Tamaño

Diámetro (mm)

Activado 76 35 56 0.5 35 66 0.5 1 Copper

commercial hard- 4/0 AWG

13.462

Activado 77 41 56 0.5 41 66 0.5 1

Copper commercial hard

4/0 AWG 13.462

Activado 78 47 56 0.5 47 66 0.5 1 Copper


Activado 79 53 56 0.5 53 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado

80

59

56 0.5 59 66 0.5 1 Copper


Activado 81 65 56 0.5 65 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 82 71 56 0.5 71 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 83 78 56 0.5 78 66 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 84 0 0 0.5 78 0 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 85 0 0 0.5 0 56 0.5 1 Copper


4/0 AWG 13.462

Activado 86 0 56 0.5 78 56 0.5 1 Copper


La configuración de la malla resultante se muestra a continuación:

Fig. 4.1. Reconfiguración de la malla con solo conductores.

55

En una visión en 3D se puede observar a la profundidad en la que se encuentra la malla

existente y la malla periférica.

Fig. 4.2. Reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D.

Se realiza el análisis de la malla para conocer si con solo la inserción de esta malla

periférica es suficiente para obtener la reducción del valor de la resistencia de tierra y de los

valores de los voltajes de seguridad en la subestación.

En la Tabla 4.8 se muestra la hoja de reporte del análisis de la malla, en el mismo se

plasman los resultados de salida al igual que los datos de cada conductor presentes en la

configuración de la malla.

Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada.




Estudio Malla mejorada

56

Tabla 4.4. Reporte de análisis de la malla mejorada.(Continuación)

Parámetros

Spec. Z paralelo equivalente Z infinito Frecuencia nominal 60 hz Nombre de la barra 115

Corriente de falla LG 2580 amps Contribución a distancia 100 %

Espesor de la capa superior 2.83 metros Resistividad de la capa superior 1073.22 ohm-m Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m

Resultados de salida Elevación del potencial de tierra 3606 voltios Resistencia de tierra calculada 1.32913 ohmios

Impedancia equivalente 1.32895 ohmios Elementos del electrodo primario

X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 Longitud

(metros)

Radio (mm)

Corriente (amps)

Electrodo (#)

0 0 1 78 0 1 78 6.7 50.4774 Asy 1

0 0 1 0 56 1 56 6.7 38.716 Asy 2

0 56 1 78 56 1 78 6.7 49.7919 Asy 3

78 0 1 78 56 1 56 6.7 38.9554 Asy 4

7.5 0 1 7.5 56 1 56 6.7 47.6443 Asy 5

12 0 1 12 56 1 56 6.7 46.409 Asy 6

17.5 11 1 17.5 56 1 45 6.7 34.0777 Asy 7

17.5 11 1 78 11 1 60.5 6.7 39.8152 Asy 8

28.5 0 1 28.5 56 1 56 6.7 41.8156 Asy 10

34.5 0 1 34.5 56 1 56 6.7 42.6834 Asy 11

39 0 1 39 56 1 56 6.7 42.4989 Asy 12

44.5 0 1 44.5 56 1 56 6.7 42.4354 Asy 13

53.2 0 1 53.2 56 1 56 6.7 42.074 Asy 14

58.2 0 1 58.2 56 1 56 6.7 42.2183 Asy 15

70.7 0 1 70.7 56 1 56 6.7 44.5296 Asy 16

78 0 0.5 78 56 0.5 56 6.7 26.407 Asy 17

17.5 20.5 1 78 20.5 1 60.5 6.7 39.8237 Asy 19

28.5 28 1 78 28 1 49.5 6.7 34.27 Asy 20

17.5 36 1 78 36 1 60.5 6.7 42.4519 Asy 21

0 45.5 1 78 45.5 1 78 6.7 54.5566 Asy 22

0 13.5 1 7.5 13.5 1 7.5 6.7 5.3092 Asy 23

0 21 1 7.5 21 1 7.5 6.7 5.2163 Asy 24

0 27.5 1 7.5 27.5 1 7.5 6.7 5.2912 Asy 25

0 37.5 1 7.5 37.5 1 7.5 6.7 5.4027 Asy 26

0 51 1 78 51 1 78 6.7 55.1005 Asy 27 0 5.5 1 78 5.5 1 78 6.7 56.1684 Asy 28 4 0 1 4 56 1 56 6.7 46.1708 Asy 30

74 0 1 74 56 1 56 6.7 44.5211 Asy 31 7.5 15 1 78 15 1 70.5 6.7 44.3767 Asy 51 62 56 1 62 0 1 56 6.7 42.1365 Asy 52 66 56 1 66 0 1 56 6.7 43.9413 Asy 53 49 56 1 49 0 1 56 6.7 41.5243 Asy 54 22 56 1 22 0 1 56 6.7 41.2068 Asy 55 25 56 1 25 0 1 56 6.7 39.7436 Asy 56

57



(metros)

Radio (mm)

Corriente (amps)

Electrodo (#)

-10 -10 0.5 -10 66 0.5 76 6.7 89.772 Asy 58

-10 66 0.5 88 66 0.5 98 6.7 114.6003 Asy 59

88 66 0.5 88 -10 0.5 76 6.7 89.6903 Asy 60

-10 -10 0.5 88 -10 0.5 98 6.7 114.3868 Asy 61

-5 -10 0.5 -5 66 0.5 76 6.7 64.0456 Asy 62

-10 -5 0.5 88 -5 0.5 98 6.7 83.241 Asy 63

-10 61 0.5 88 61 0.5 98 6.7 83.4517 Asy 64

83 -10 0.5 83 66 0.5 76 6.7 63.9598 Asy 65

0 -10 0.5 0 0 0.5 10 6.7 8.6715 Asy 66

5 -10 0.5 5 0 0.5 10 6.7 8.2577 Asy 67

11 -10 0.5 11 0 0.5 10 6.7 7.9832 Asy 68

17 -10 0.5 17 0 0.5 10 6.7 7.8291 Asy 69

23 -10 0.5 23 0 0.5 10 6.7 7.5021 Asy 70

29 -10 0.5 29 0 0.5 10 6.7 7.4044 Asy 71

35 -10 0.5 35 0 0.5 10 6.7 7.3543 Asy 72

41 -10 0.5 41 0 0.5 10 6.7 7.4004 Asy 73

47 -10 0.5 47 0 0.5 10 6.7 7.4019 Asy 74

53 -10 0.5 53 0 0.5 10 6.7 7.4527 Asy 75

59 -10 0.5 59 0 0.5 10 6.7 7.6215 Asy 76

65 -10 0.5 65 0 0.5 10 6.7 7.8923 Asy 77

71 -10 0.5 71 0 0.5 10 6.7 8.3032 Asy 78

78 -10 0.5 78 0 0.5 10 6.7 8.8812 Asy 79

-10 0 0.5 0 0 0.5 10 6.7 8.6869 Asy 80

-10 5 0.5 0 5 0.5 10 6.7 8.2019 Asy 81

-10 10 0.5 0 10 0.5 10 6.7 8.0008 Asy 82

-10 15 0.5 0 15 0.5 10 6.7 7.7257 Asy 83

-10 20 0.5 0 20 0.5 10 6.7 7.571 Asy 84

-10 25 0.5 0 25 0.5 10 6.7 7.5603 Asy 85

-10 30 0.5 0 30 0.5 10 5.3 7.3531 Asy 86

-10 35 0.5 0 35 0.5 10 5.3 7.4162 Asy 87

-10 40 0.5 0 40 0.5 10 5.3 7.5006 Asy 88

-10 45 0.5 0 45 0.5 10 6.7 7.858 Asy 89

-10 50 0.5 0 50 0.5 10 6.7 8.2471 Asy 90

-10 56 0.5 0 56 0.5 10 6.7 8.7963 Asy 91

0 56 0.5 0 66 0.5 10 6.7 8.6577 Asy 92

5 56 0.5 5 66 0.5 10 6.7 8.2149 Asy 93

11 56 0.5 11 66 0.5 10 6.7 7.8927 Asy 94

17 56 0.5 17 66 0.5 10 6.7 7.5461 Asy 95

23 56 0.5 23 66 0.5 10 6.7 7.4318 Asy 96

29 56 0.5 29 66 0.5 10 6.7 7.4121 Asy 97

35 56 0.5 35 66 0.5 10 6.7 7.3988 Asy 98

41 56 0.5 41 66 0.5 10 6.7 7.4661 Asy 99

47 56 0.5 47 66 0.5 10 6.7 7.4794 Asy 100

53 56 0.5 53 66 0.5 10 6.7 7.5363 Asy 101

59 56 0.5 59 66 0.5 10 6.7 7.707 Asy 102

65 56 0.5 65 66 0.5 10 6.7 7.9758 Asy 103

71 56 0.5 71 66 0.5 10 6.7 8.384 Asy 104 78 56 0.5 78 66 0.5 10 6.7 8.9589 Asy 105 78 0 0.5 88 0 0.5 10 6.7 8.7141 Asy 106

58



(metros) Radio (mm)

Corriente (amps)

Electrodo (#)

78 10 0.5 88 10 0.5 10 6.7 7.8634 Asy 108 78 15 0.5 88 15 0.5 10 6.7 7.6102 Asy 109

78 20 0.5 88 20 0.5 10 6.7 7.5239 Asy 110

78 25 0.5 88 25 0.5 10 6.7 7.5745 Asy 111

78 30 0.5 88 30 0.5 10 6.7 7.574 Asy 112

78 35 0.5 88 35 0.5 10 6.7 7.6143 Asy 113

78 40 0.5 88 40 0.5 10 6.7 7.8602 Asy 114

78 45 0.5 88 45 0.5 10 6.7 7.9477 Asy 115

78 50 0.5 88 50 0.5 10 6.7 8.3635 Asy 116

78 56 0.5 88 56 0.5 10 6.7 8.9113 Asy 117

0 0 0.5 78 0 0.5 78 6.7 38.4682 Asy 122

0 0 0.5 0 56 0.5 56 6.7 28.5618 Asy 123

0 56 0.5 78 56 0.5 78 6.7 37.9599 Asy 124

Longitud total de los conductores primarios 3314.5 metros Número total de elementos 98

En este reporte detallado se pueden observar los parámetros para el estudio de los niveles

de seguridad de la malla, así como tambien los parámetros arrojados por el estudio del

análisis del suelo.

El reporte muestra igualmente la información del valor de la elevación del potencial a

tierra, los valores de la resistencia de tierra calculada y el de la impedancia equivalente.

Igualmente se observan la información de los conductores colocados en la configuración

de la malla. Esta información describe el tipo de conductor, si es conductor primario de

retorno o distinto, e igualmente muestra la corriente que circulará por el mismo, sus

coordenadas longitud y el radio.

Para este estudio el valor de la resistencia de puesta a tierra obtenida es de 1.32913 Ω , lo

cual se encuentra por encima del valor exigido por la empresa para subestaciones de

transmisión, el cual debe ser menor a 1 Ω .

En este estudio igualmente se puede observar los niveles de seguridad de la malla, como lo

son los diagramas de contorno de potencial y de los perfiles de potencial, dichos diagramas se

muestran en las Figs. 4.3 y 4.4.

59

Fig. 4.3. Contorno de Potencial de la reconfiguración de la malla con solo conductores en 3D.

En la Tabla 4.5 se muestra el reporte del diagrama de contorno.

Tabla 4.5. Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada.


Nombre de la subestación CAJA SECA Proyecto ANALISIS MALLA EXISTENTE Estudio Malla mejorada

Parámetros

Título Diagrama de contorno de potencial #01

Nombre de la barra 115 Corriente de falla LG 2580 amps

Contribución a distancia 100 % Corriente del electrodo de retorno -2580 amps

Espesor de la capa superior 2.83 metros Resistividad de la capa superior 1073.22 ohm-m Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m Potenciales iguales (distintos) Sí

X1 -10 metros Y1 -10 metros X2 88 metros Y2 66 metros

60

Tabla 4.5. Reporte de Contorno de Potencial de la malla mejorada.(Continuación)

Intervalos X 60 Intervalos Y 60



0 292.34 584.68 877.02 1169.36 (0%) (33.33%) (66.67%) (100%) (133.33%)

Máximo Potencial de contacto en los puntos 1506.95 voltios Corriente LT

Permitida 1501.31 amps

X (metros) Y (metros) 86.3667 63.4667

De la Tabla 4.5, se deduce que los niveles de umbral de potencial de contacto en algunas

de las regiones de la malla se encuentra al 33.33% sobre el valor máximo del permitido, lo

que quiere decir que la malla no cumple con los requerimientos de seguridad que deben

presentar la malla en la subestación. Para un mejor entendimiento de cómo esto afecta la

seguridad de la malla en cuanto a las tensiones de contacto se refiere, se mostraran los

diagramas de perfíl correspondientes a este análisis, en la Fig. 4.4 se ilustrará esta situación.

Gráfico 4.1. Diagrama de Perfil de Potencial reconfiguración de la malla solo conductores

61

Se observa que aunque los potenciales de paso y de superficie se encuentran por debajo

del máximo permisible, los potenciales de contacto presentan una elevación peligrosa en la

mayor parte de la malla de tierra. En el reporte se mostraran los valores máximos permisibles

y el valor máximo del perfil de contacto, este se mostrará en la Tabla 4.6.

Tabla 4.6. Reporte de Perfil de Potencial de la malla mejorada.

Reporte del perfil de potencial Tuesday, February 03, 2009, 22:21:06



Estudio Malla Mejorada

Parámetros





X1 -10 metros

Y1 -10 metros

X2 88 metros

Y2 66 metros



Elevación del potencial de tierra 3606 voltios

Tensión máxima de paso 3015.93 voltios


Máximo


Potenciales de paso 288.67 voltios

Potenciales de contacto 1518.84 voltios

Estos resultados llevan a la conclusión de que se deben introducir electrodos de puesta a

tierra. Debido a que la capa de menor resistividad se encuentra a una profundidad de 2.83 m,

se procede a utilizar dos electrodos atornillables de 2.4 m, esto con la finalidad de alcanzar la

capa de menor resistividad.

62

4.3.3 Malla con Electrodos

La configuración de los electrodos se determinara por la colocación de un electrodo en

cada una de las esquinas de la malla periférica y luego a lo largo de la misma de manera

intercalada. Igualmente se insertaran electrodos en la malla existente.

Al igual como se realizó la introducción de los parámetros para los conductores de la

malla, se realizará para la inserción de los electrodos de puesta a tierra. Primeramente se

conocerán los datos de las varillas, como el material y el tamaño de las mismas.

Tabla 4.7. Datos del electrodo de puesta a tierra

Varillas de puesta a tierra

Denominación Coopperweld

Corriente derivada a tierra 2580 A

Diámetro 5/8”

Longitud 4.8 m

La nueva configuración de la malla con conductores y electrodos es la que se muestra en la

Fig. 4.4.

Fig. 4.4. Reconfiguración de la Malla de puesta a tierra con electrodos insertados

63

Para este nuevo estudio, ahora con las varillas de puesta a tierra insertadas se obtiene un

nuevo reporte, en el cual mostrara como han cambiado los parámetros de seguridad de la malla

debido a esta mejora. La Tabla 4.16 muestra los resultados de salida y toda la información de

cada conductor y varilla presente en la configuración de la malla.

Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla

Reporte de análisis de la malla Wednesday, February 04, 2009, 14:50:38

Nombre de la subestación CAJA SECA Proyecto ANALISIS MALLA EXISTENTE Estudio Malla mejorada

Parámetros

Spec. Z paralelo equivalente Z infinito Frecuencia nominal 60 hz Nombre de la barra 115

Corriente de falla LG 2580 amps Contribución a distancia 100 %

Espesor de la capa superior 2.83 metros Resistividad de la capa

superior 1073.22 ohm-m Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m



Resistencia de tierra calculada 1.03116 ohmios Impedancia equivalente 1.03106 ohmios

Elementos del electrodo primario



0 0 1 78 0 1 78 6.7 24.3493 Asy 1

0 0 1 0 56 1 56 6.7 17.4288 Asy 2

0 56 1 78 56 1 78 6.7 23.4058 Asy 3

78 0 1 78 56 1 56 6.7 17.844 Asy 4

7.5 0 1 7.5 56 1 56 6.7 23.0108 Asy 5

12 0 1 12 56 1 56 6.7 22.6919 Asy 6

17.5 11 1 17.5 56 1 45 6.7 15.6837 Asy 7

17.5 11 1 78 11 1 60.5 6.7 17.9114 Asy 8

28.5 0 1 28.5 56 1 56 6.7 19.2014 Asy 10

34.5 0 1 34.5 56 1 56 6.7 20.5406 Asy 11

39 0 1 39 56 1 56 6.7 19.1737 Asy 12

44.5 0 1 44.5 56 1 56 6.7 20.1325 Asy 13

53.2 0 1 53.2 56 1 56 6.7 19.5632 Asy 14

58.2 0 1 58.2 56 1 56 6.7 18.675 Asy 15

70.7 0 1 70.7 56 1 56 6.7 22.1932 Asy 16

78 0 0.5 78 56 0.5 56 6.7 12.0856 Asy 17

17.5 20.5 1 78 20.5 1 60.5 6.7 17.2957 Asy 19

28.5 28 1 78 28 1 49.5 6.7 17.1155 Asy 20

17.5 36 1 78 36 1 60.5 6.7 18.1904 Asy 21

0 45.5 1 78 45.5 1 78 6.7 23.6547 Asy 22

0 13.5 1 7.5 13.5 1 7.5 6.7 2.7948 Asy 23

64

Tabla 4.8. Reporte de análisis de la malla.(Continuación)



0 21 1 7.5 21 1 7.5 6.7 2.5324 Asy 24

0 27.5 1 7.5 27.5 1 7.5 6.7 2.3274 Asy 25

0 37.5 1 7.5 37.5 1 7.5 6.7 2.6153 Asy 26

0 51 1 78 51 1 78 6.7 26.9037 Asy 27

0 5.5 1 78 5.5 1 78 6.7 29.2183 Asy 28

4 0 1 4 56 1 56 6.7 22.3358 Asy 30

74 0 1 74 56 1 56 6.7 22.2837 Asy 31

7.5 15 1 78 15 1 70.5 6.7 20.8959 Asy 51

62 56 1 62 0 1 56 6.7 19.6165 Asy 52

66 56 1 66 0 1 56 6.7 19.9622 Asy 53

49 56 1 49 0 1 56 6.7 18.4726 Asy 54

22 56 1 22 0 1 56 6.7 20.5972 Asy 55

25 56 1 25 0 1 56 6.7 19.5366 Asy 56

15 56 1 15 0 1 56 6.7 21.0844 Asy 57

-10 -10 0.5 -10 66 0.5 76 6.7 44.2793 Asy 58

-10 66 0.5 88 66 0.5 98 6.7 58.1592 Asy 59

88 66 0.5 88 -10 0.5 76 6.7 44.3705 Asy 60

-10 -10 0.5 88 -10 0.5 98 6.7 58.4977 Asy 61

-5 -10 0.5 -5 66 0.5 76 6.7 33.129 Asy 62

-10 -5 0.5 88 -5 0.5 98 6.7 44.3737 Asy 63

-10 61 0.5 88 61 0.5 98 6.7 43.8076 Asy 64

83 -10 0.5 83 66 0.5 76 6.7 33.3244 Asy 65

0 -10 0.5 0 0 0.5 10 6.7 4.2653 Asy 66

5 -10 0.5 5 0 0.5 10 6.7 4.536 Asy 67

11 -10 0.5 11 0 0.5 10 6.7 3.8877 Asy 68

17 -10 0.5 17 0 0.5 10 6.7 4.3392 Asy 69

23 -10 0.5 23 0 0.5 10 6.7 3.627 Asy 70

29 -10 0.5 29 0 0.5 10 6.7 4.0597 Asy 71

35 -10 0.5 35 0 0.5 10 6.7 3.5059 Asy 72

41 -10 0.5 41 0 0.5 10 6.7 4.0087 Asy 73

47 -10 0.5 47 0 0.5 10 6.7 3.4974 Asy 74

53 -10 0.5 53 0 0.5 10 6.7 4.0228 Asy 75

59 -10 0.5 59 0 0.5 10 6.7 3.5969 Asy 76

65 -10 0.5 65 0 0.5 10 6.7 4.2224 Asy 77

71 -10 0.5 71 0 0.5 10 6.7 3.7764 Asy 78

78 -10 0.5 78 0 0.5 10 6.7 4.1109 Asy 79

-10 0 0.5 0 0 0.5 10 6.7 4.2923 Asy 80

-10 5 0.5 0 5 0.5 10 6.7 4.4499 Asy 81

-10 10 0.5 0 10 0.5 10 6.7 3.8305 Asy 82

-10 15 0.5 0 15 0.5 10 6.7 4.0889 Asy 83

-10 20 0.5 0 20 0.5 10 6.7 3.549 Asy 84

-10 25 0.5 0 25 0.5 10 6.7 3.9099 Asy 85

-10 30 0.5 0 30 0.5 10 6.7 3.4858 Asy 86

-10 35 0.5 0 35 0.5 10 6.7 3.9161 Asy 87

-10 40 0.5 0 40 0.5 10 6.7 3.5178 Asy 88

-10 45 0.5 0 45 0.5 10 6.7 3.9411 Asy 89

-10 50 0.5 0 50 0.5 10 6.7 3.5788 Asy 90

-10 56 0.5 0 56 0.5 10 6.7 3.9029 Asy 91

0 56 0.5 0 66 0.5 10 6.7 3.7716 Asy 92

65




5 56 0.5 5 66 0.5 10 6.7 3.5341 Asy 93

11 56 0.5 11 66 0.5 10 6.7 4.1477 Asy 94

17 56 0.5 17 66 0.5 10 6.7 3.554 Asy 95

23 56 0.5 23 66 0.5 10 6.7 4.0026 Asy 96

29 56 0.5 29 66 0.5 10 6.7 3.5014 Asy 97

35 56 0.5 35 66 0.5 10 6.7 3.9844 Asy 98

41 56 0.5 41 66 0.5 10 6.7 3.5149 Asy 99

47 56 0.5 47 66 0.5 10 6.7 4.0373 Asy 100

53 56 0.5 53 66 0.5 10 6.7 3.5808 Asy 101

59 56 0.5 59 66 0.5 10 6.7 4.1939 Asy 102

65 56 0.5 65 66 0.5 10 6.7 3.8343 Asy 103

71 56 0.5 71 66 0.5 10 6.7 4.6517 Asy 104

78 56 0.5 78 66 0.5 10 6.7 4.3449 Asy 105

78 0 0.5 88 0 0.5 10 6.7 4.1732 Asy 106

78 5 0.5 88 5 0.5 10 6.7 4.3173 Asy 107

78 10 0.5 88 10 0.5 10 6.7 3.7191 Asy 108

78 15 0.5 88 15 0.5 10 6.7 3.9847 Asy 109

78 20 0.5 88 20 0.5 10 6.7 3.5182 Asy 110

78 25 0.5 88 25 0.5 10 6.7 3.9347 Asy 111

78 30 0.5 88 30 0.5 10 6.7 3.5059 Asy 112

78 35 0.5 88 35 0.5 10 6.7 3.9436 Asy 113

78 40 0.5 88 40 0.5 10 6.7 3.6188 Asy 114

78 45 0.5 88 45 0.5 10 6.7 4.0816 Asy 115

78 50 0.5 88 50 0.5 10 6.7 3.7454 Asy 116

78 56 0.5 88 56 0.5 10 6.7 4.1115 Asy 117

0 0 0.5 78 0 0.5 78 6.7 18.6175 Asy 122

0 0 0.5 0 56 0.5 56 6.7 12.8667 Asy 123

0 56 0.5 78 56 0.5 78 6.7 17.8663 Asy 124

Longitud total de los conductores primarios 3314.5 metros

0 0 0.5 0 0 2.83 2.33 7.9 0.633 Asy 1

0 0 2.83 0 0 5.3 2.47 7.9 14.6776 Asy 1

0 10 0.5 0 10 2.83 2.33 7.9 0.6626 Asy 2

0 10 2.83 0 10 5.3 2.47 7.9 13.2648 Asy 2

0 20 0.5 0 20 2.83 2.33 7.9 0.5244 Asy 3

0 20 2.83 0 20 5.3 2.47 7.9 12.5074 Asy 3

0 30 0.5 0 30 2.83 2.33 7.9 0.5539 Asy 4

0 30 2.83 0 30 5.3 2.47 7.9 12.2234 Asy 4

0 40 0.5 0 40 2.83 2.33 7.9 0.5544 Asy 5

0 40 2.83 0 40 5.3 2.47 7.9 12.3299 Asy 5

0 56 0.5 0 56 2.83 2.33 7.9 0.5095 Asy 7

0 56 2.83 0 56 4.065 1.235 7.9 6.0483 Asy 7

0 56 4.065 0 56 5.3 1.235 7.9 7.2298 Asy 7

11 0 0.5 11 0 2.83 2.33 7.9 0.5832 Asy 8

11 0 2.83 11 0 5.3 2.47 7.9 13.3393 Asy 8

23 0 0.5 23 0 2.83 2.33 7.9 0.506 Asy 9

23 0 2.83 23 0 5.3 2.47 7.9 12.6006 Asy 9

35 0 0.5 35 0 2.83 2.33 7.9 0.4781 Asy 10

35 0 2.83 35 0 5.3 2.47 7.9 12.2083 Asy 10

47 0 0.5 47 0 2.83 2.33 7.9 0.5204 Asy 12

66




47 0 2.83 47 0 5.3 2.47 7.9 12.1232 Asy 12

59 0 0.5 59 0 2.83 2.33 7.9 0.5 Asy 13

59 0 2.83 59 0 5.3 2.47 7.9 12.3922 Asy 13

71 0 0.5 71 0 2.83 2.33 7.9 0.4891 Asy 14

71 0 2.83 71 0 5.3 2.47 7.9 13.0222 Asy 14

78 10 0.5 78 10 1.665 1.165 7.9 0.1176 Asy 33

78 10 1.665 78 10 2.83 1.165 7.9 0.441 Asy 33

78 10 2.83 78 10 5.3 2.47 7.9 12.8021 Asy 33

88 0 0.5 88 0 2.83 2.33 7.9 1.4621 Asy 67

88 0 2.83 88 0 4.065 1.235 7.9 8.4667 Asy 67

88 0 4.065 88 0 5.3 1.235 7.9 9.8371 Asy 67

7.4 45 1 7.4 45 2.83 1.83 7.9 0.4813 Asy 68

7.4 45 2.83 7.4 45 4.315 1.485 7.9 6.1024 Asy 68

7.4 45 4.315 7.4 45 5.8 1.485 7.9 7.3629 Asy 68

17.5 45.5 1 17.5 45.5 2.83 1.83 7.9 0.3841 Asy 69

17.5 45.5 2.83 17.5 45.5 4.315 1.485 7.9 5.7456 Asy 69

17.5 45.5 4.315 17.5 45.5 5.8 1.485 7.9 6.9489 Asy 69

28.7 45.7 1 28.7 45.7 2.83 1.83 7.9 0.4982 Asy 70

28.7 45.7 2.83 28.7 45.7 4.315 1.485 7.9 5.7124 Asy 70

28.7 45.7 4.315 28.7 45.7 5.8 1.485 7.9 6.8558 Asy 70

39 45.7 1 39 45.7 2.83 1.83 7.9 0.498 Asy 71

39 45.7 2.83 39 45.7 4.315 1.485 7.9 5.712 Asy 71

39 45.7 4.315 39 45.7 5.8 1.485 7.9 6.8339 Asy 71

88 56 0.5 88 56 2.83 2.33 7.9 1.4138 Asy 74

88 56 2.83 88 56 4.065 1.235 7.9 8.2689 Asy 74

88 56 4.065 88 56 5.3 1.235 7.9 9.6317 Asy 74

88 66 0.5 88 66 2.83 2.33 7.9 2.1661 Asy 75

88 66 2.83 88 66 4.065 1.235 7.9 9.9843 Asy 75

88 66 4.065 88 66 5.3 1.235 7.9 11.4842 Asy 75

77.8 66 0.5 77.8 66 2.83 2.33 7.9 1.5076 Asy 76

77.8 66 2.83 77.8 66 4.065 1.235 7.9 8.5748 Asy 76

77.8 66 4.065 77.8 66 5.3 1.235 7.9 9.9495 Asy 76

65 66 0.5 65 66 2.83 2.33 7.9 1.3335 Asy 78

65 66 2.83 65 66 4.065 1.235 7.9 7.9157 Asy 78

65 66 4.065 65 66 5.3 1.235 7.9 9.1927 Asy 78

53 66 0.5 53 66 2.83 2.33 7.9 1.2568 Asy 79

53 66 2.83 53 66 4.065 1.235 7.9 7.5934 Asy 79

53 66 4.065 53 66 5.3 1.235 7.9 8.8248 Asy 79

17.6 36 1 17.6 36 2.83 1.83 7.9 0.5234 Asy 81

17.6 36 2.83 17.6 36 4.315 1.485 7.9 5.7451 Asy 81

17.6 36 4.315 17.6 36 5.8 1.485 7.9 6.8777 Asy 81

17.6 20.7 1 17.6 20.7 2.83 1.83 7.9 0.5281 Asy 82

17.6 20.7 2.83 17.6 20.7 4.315 1.485 7.9 5.7358 Asy 82

17.6 20.7 4.315 17.6 20.7 5.8 1.485 7.9 6.8843 Asy 82

28.5 20 1 28.5 20 2.83 1.83 7.9 0.4708 Asy 83

28.5 20 2.83 28.5 20 4.315 1.485 7.9 5.4953 Asy 83

28.5 20 4.315 28.5 20 5.8 1.485 7.9 6.5992 Asy 83

12 15 1 12 15 2.83 1.83 7.9 0.4548 Asy 84

12 15 2.83 12 15 4.315 1.485 7.9 6.1159 Asy 84

67




12 15 4.315 12 15 5.8 1.485 7.9 7.342 Asy 84

28.5 11 2.83 28.5 11 4.315 1.485 7.9 5.7183 Asy 85

28.5 11 4.315 28.5 11 5.8 1.485 7.9 6.8814 Asy 85

41 66 0.5 41 66 2.83 2.33 7.9 1.2276 Asy 87

41 66 2.83 41 66 4.065 1.235 7.9 7.4758 Asy 87

41 66 4.065 41 66 5.3 1.235 7.9 8.6896 Asy 87

29 66 0.5 29 66 2.83 2.33 7.9 1.2335 Asy 91

29 66 2.83 29 66 4.065 1.235 7.9 7.4962 Asy 91

29 66 4.065 29 66 5.3 1.235 7.9 8.7133 Asy 91

17 66 0.5 17 66 2.83 2.33 7.9 1.2694 Asy 93

17 66 2.83 17 66 4.065 1.235 7.9 7.6405 Asy 93

17 66 4.065 17 66 5.3 1.235 7.9 8.8807 Asy 93

88 50 0.5 88 50 2.83 2.33 7.9 1.3041 Asy 95

88 50 2.83 88 50 4.065 1.235 7.9 7.8307 Asy 95

88 50 4.065 88 50 5.3 1.235 7.9 9.1346 Asy 95

88 40 0.5 88 40 2.83 2.33 7.9 1.263 Asy 97

88 40 2.83 88 40 4.065 1.235 7.9 7.6655 Asy 97

88 40 4.065 88 40 5.3 1.235 7.9 8.9233 Asy 97

58.2 45.7 1 58.2 45.7 2.83 1.83 7.9 0.4745 Asy 101

58.2 45.7 2.83 58.2 45.7 5.8 2.97 7.9 12.6611 Asy 101

7.5 28 1 7.5 28 2.83 1.83 7.9 0.579 Asy 104

7.5 28 2.83 7.5 28 5.8 2.97 7.9 13.4286 Asy 104

88 30 0.5 88 30 2.83 2.33 7.9 1.2251 Asy 105

88 30 2.83 88 30 5.3 2.47 7.9 16.3155 Asy 105

78 0 0.5 78 0 2.83 2.33 7.9 0.591 Asy 106

78 0 2.83 78 0 5.3 2.47 7.9 14.1425 Asy 106

0 50 0.5 0 50 2.83 2.33 7.9 0.4825 Asy 107

0 50 2.83 0 50 5.3 2.47 7.9 12.4388 Asy 107

78 20 0.5 78 20 2.83 2.33 7.9 0.4965 Asy 108

78 20 2.83 78 20 5.3 2.47 7.9 12.3847 Asy 108

78 30 0.5 78 30 2.83 2.33 7.9 0.5566 Asy 109

78 30 2.83 78 30 5.3 2.47 7.9 12.3697 Asy 109

78 40 0.5 78 40 2.83 2.33 7.9 0.6254 Asy 110

78 40 2.83 78 40 5.3 2.47 7.9 12.6407 Asy 110

78 50 0.5 78 50 2.83 2.33 7.9 0.5735 Asy 112

78 50 2.83 78 50 5.3 2.47 7.9 13.104 Asy 112

78 56 0.5 78 56 2.83 2.33 7.9 0.6166 Asy 113

78 56 2.83 78 56 5.3 2.47 7.9 14.2505 Asy 113

5 56 0.5 5 56 2.83 2.33 7.9 0.4598 Asy 114

5 56 2.83 5 56 5.3 2.47 7.9 12.4866 Asy 114

17 56 0.5 17 56 2.83 2.33 7.9 0.4215 Asy 115

17 56 2.83 17 56 5.3 2.47 7.9 12.2443 Asy 115

29 56 0.5 29 56 2.83 2.33 7.9 0.4786 Asy 116

29 56 2.83 29 56 5.3 2.47 7.9 12.0918 Asy 116

41 56 0.5 41 56 2.83 2.33 7.9 0.5565 Asy 117

41 56 2.83 41 56 5.3 2.47 7.9 12.1002 Asy 117

53 56 0.5 53 56 2.83 2.33 7.9 0.4748 Asy 118

53 56 2.83 53 56 5.3 2.47 7.9 12.2894 Asy 118

65 56 0.5 65 56 2.83 2.33 7.9 0.5737 Asy 119

68




65 56 2.83 65 56 5.3 2.47 7.9 12.9073 Asy 119

5 66 0.5 5 66 2.83 2.33 7.9 1.2497 Asy 121

5 66 2.83 5 66 5.3 2.47 7.9 16.629 Asy 121

-10 66 0.5 -10 66 2.83 2.33 7.9 2.1025 Asy 122

-10 66 2.83 -10 66 5.3 2.47 7.9 21.0667 Asy 122

0 66 0.5 0 66 2.83 2.33 7.9 1.3227 Asy 123

0 66 2.83 0 66 5.3 2.47 7.9 17.3174 Asy 123

88 10 0.5 88 10 2.83 2.33 7.9 1.2969 Asy 124

88 10 2.83 88 10 5.3 2.47 7.9 16.9676 Asy 124

88 20 0.5 88 20 2.83 2.33 7.9 1.2386 Asy 125

88 20 2.83 88 20 5.3 2.47 7.9 16.4281 Asy 125

88 -10 0.5 88 -10 2.83 2.33 7.9 2.1368 Asy 126

88 -10 2.83 88 -10 5.3 2.47 7.9 21.3428 Asy 126

-10 -10 0.5 -10 -10 2.83 2.33 7.9 2.163 Asy 127

-10 -10 2.83 -10 -10 5.3 2.47 7.9 21.5371 Asy 127

0 -10 0.5 0 -10 2.83 2.33 7.9 1.4595 Asy 128

0 -10 2.83 0 -10 5.3 2.47 7.9 18.4884 Asy 128

11 -10 0.5 11 -10 2.83 2.33 7.9 1.3297 Asy 129

11 -10 2.83 11 -10 5.3 2.47 7.9 17.2287 Asy 129

23 -10 0.5 23 -10 2.83 2.33 7.9 1.2567 Asy 130

23 -10 2.83 23 -10 5.3 2.47 7.9 16.5436 Asy 130

35 -10 0.5 35 -10 2.83 2.33 7.9 1.2203 Asy 131

35 -10 2.83 35 -10 5.3 2.47 7.9 16.2078 Asy 131

47 -10 0.5 47 -10 2.83 2.33 7.9 1.2195 Asy 132

47 -10 2.83 47 -10 5.3 2.47 7.9 16.1982 Asy 132

59 -10 0.5 59 -10 2.83 2.33 7.9 1.2552 Asy 133

59 -10 2.83 59 -10 5.3 2.47 7.9 16.5192 Asy 133

71 -10 0.5 71 -10 2.83 2.33 7.9 1.3079 Asy 135

71 -10 2.83 71 -10 5.3 2.47 7.9 17.0222 Asy 135

78 -10 0.5 78 -10 2.83 2.33 7.9 1.4068 Asy 136

78 -10 2.83 78 -10 5.3 2.47 7.9 17.9533 Asy 136

-10 0 0.5 -10 0 2.83 2.33 7.9 1.4654 Asy 137

-10 0 2.83 -10 0 5.3 2.47 7.9 18.4396 Asy 137

-10 10 0.5 -10 10 2.83 2.33 7.9 1.3111 Asy 138

-10 10 2.83 -10 10 5.3 2.47 7.9 17.1144 Asy 138

-10 20 0.5 -10 20 2.83 2.33 7.9 1.246 Asy 139

-10 20 2.83 -10 20 5.3 2.47 7.9 16.4883 Asy 139

-10 30 0.5 -10 30 2.83 2.33 7.9 1.2237 Asy 140

-10 30 2.83 -10 30 5.3 2.47 7.9 16.2835 Asy 140

-10 40 0.5 -10 40 2.83 2.33 7.9 1.2386 Asy 142

-10 40 2.83 -10 40 5.3 2.47 7.9 16.4142 Asy 142

-10 56 0.5 -10 56 2.83 2.33 7.9 1.3705 Asy 143

-10 56 2.83 -10 56 5.3 2.47 7.9 17.5556 Asy 143

-10 50 0.5 -10 50 2.83 2.33 7.9 1.269 Asy 144

-10 50 2.83 -10 50 5.3 2.47 7.9 16.6857 Asy 144

39 36 1 39 36 2.83 1.83 7.9 0.4513 Asy 145

39 36 2.83 39 36 5.8 2.97 7.9 12.0446 Asy 145

39 11 1 39 11 2.83 1.83 7.9 0.4078 Asy 146

39 11 2.83 39 11 5.8 2.97 7.9 12.2452 Asy 146

69




58 11 1 58 11 2.83 1.83 7.9 0.4113 Asy 147

58 11 2.83 58 11 5.8 2.97 7.9 12.2704 Asy 147

28.5 36 1 28.5 36 2.83 1.83 7.9 0.4398 Asy 148

28.5 36 2.83 28.5 36 5.8 2.97 7.9 12.1886 Asy 148

39 20.5 1 39 20.5 2.83 1.83 7.9 0.4193 Asy 149

39 20.5 2.83 39 20.5 5.8 2.97 7.9 11.8269 Asy 149

49 45 1 49 45 2.83 1.83 7.9 0.4971 Asy 150

49 45 2.83 49 45 5.8 2.97 7.9 12.3934 Asy 150

49 36 1 49 36 2.83 1.83 7.9 0.4262 Asy 151

49 36 2.83 49 36 5.8 2.97 7.9 11.8938 Asy 151

58 36 1 58 36 2.83 1.83 7.9 0.453 Asy 152

58 36 2.83 58 36 5.8 2.97 7.9 12.0688 Asy 152

66 45 1 66 45 2.83 1.83 7.9 0.5353 Asy 153

66 45 2.83 66 45 5.8 2.97 7.9 13.2837 Asy 153

66 36 1 66 36 2.83 1.83 7.9 0.4654 Asy 154

66 36 2.83 66 36 5.8 2.97 7.9 12.8029 Asy 154

49 21 1 49 21 2.83 1.83 7.9 0.4422 Asy 155

49 21 2.83 49 21 5.8 2.97 7.9 11.678 Asy 155

58 21 1 58 21 2.83 1.83 7.9 0.4671 Asy 156

58 21 2.83 58 21 5.8 2.97 7.9 11.8354 Asy 156

66 21 1 66 21 2.83 1.83 7.9 0.4822 Asy 157

66 21 2.83 66 21 5.8 2.97 7.9 12.5937 Asy 157

49 11 1 49 11 2.83 1.83 7.9 0.3859 Asy 158

49 11 2.83 49 11 5.8 2.97 7.9 12.1169 Asy 158

66 11 1 66 11 2.83 1.83 7.9 0.4239 Asy 159

66 11 2.83 66 11 5.8 2.97 7.9 12.9915 Asy 159

Longitud total de las varillas primarias 412.8 metros


El reporte se entrega tal y como se muestra en la Tabla 4.8, el reporte es extenso debido a

que en el mismo se pueden observar los datos de todos los conductores existentes, con sus

respectivos parámetros y se presentan en este reporte de manera detalla, como también la

longitud total de las varillas primarias y de los conductores primarios.

En los datos de salida se tienen los valores del máximo potencial a tierra y de los valores

de la resistencia a tierra calculada. El nuevo estudio arroja un valor de resistencia a tierra de

1.03116 Ω , este valor aunque no es menor que 1 Ω es aceptable, debido a que solo con la

inserción de electrodos la reducción seria muy leve.

Y como se mencionó en el Capítulo 2, la máxima necesidad de la empresa es la reducción

del valor de los potenciales de contacto, lo cual es lo que esta afectando de manera directa la

70

seguridad de las personas presentes en la subestación. Se realizará el análisis de la malla para

obtener los diagramas de contorno de potencial de la nueva configuración, y así observar los

niveles de los potenciales de contacto presentes en la nueva configuración de la malla.

Fig. 4.5. Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados

Fig. 4.6. Análisis de contorno de la malla de puesta a tierra con electrodos insertados en 3D

71

En una visión en 3D se observan igualmente los contornos de potencial en toda la

extensión de la malla. El reporte de este análisis, se encuentra tabulado en la Tabla 4.9.

Tabla 4.9. Reporte de Contorno de Potencial

Reporte de contorno de potencial Wednesday, February 04, 2009, 15:43:48



Estudio Malla Mejorada

Parámetros

Título Contorno de potencial Malla mejorada




Corriente del electrodo de retorno -2580 amps



Resistividad de la capa inferior

157.74 ohm-m


X1 -10 metros

Y1 -10 metros

X2 88 metros

Y2 66 metros

Intervalos X 60

Intervalos Y 60



0 292.34 584.68 877.02 1169.36 (0%) (33.33%) (66.67%) (100%) (133.33%)

Máximo

Potencial de contacto en los puntos 875.162 voltios Corriente LT Permitida 2585.2 amps

X (metros) Y (metros)

-8.36667 -7.46667

Los niveles de umbrales del potencial de contacto asoma que la malla se encuentra

alrededor del 66.67% por debajo del valor de la tensión máxima de contacto, los valores que

se encuentran cercanos al valor máximo están en las esquinas de la malla periférica, pero sin

embargo es aceptable.

Se obtiene que el potencial de contacto de máximo valor se encuentra en las

coordenadas ( )46667.7,36667.8 −=−= yx m,para esta coordenada tiene un valor de 875.162 V

72

este punto se verifica en la zona donde este representada una equis (X) amarilla, en la Fig.

4.6.

Ya conocidos los diagramas de contorno de potencial se pasará a realizar el análisis del

diagrama de perfil de potencial, donde se mostraran los niveles máximos permisibles y los

niveles existentes en toda la extensión de la malla. En el Gráfico 4.2, se muestra el diagrama

del perfil de potencial.

Gráfico 4.2. Perfil de Potencial reconfiguracion de la malla puesta a tierra con electrodos

Se observa que en ninguna zona de la malla existen potenciales de contacto o de paso que

superen el umbral de seguridad (tensión máxima tolerable). El reporte del diagrama de perfil

se muestra en la Tabla 4.24.

Tabla 4.10. Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados

Reporte del perfil de potencial Wednesday, February 04, 2009, 15:48:56


73

Tabla 4.10. Reporte de Perfil de Potencial de la malla con electrodos insertados(Continuación)

Reporte del perfil de potencial Wednesday, February 04, 2009, 15:48:56

Proyecto ANALISIS MALLA EXISTENTE Estudio Malla mejorada

Parámetros

Título Perfil de potencial Malla mejorada

Nombre de la barra 115 Corriente de falla LG 2580 amps

Contribución a distancia 100 % Corriente del electrodo de retorno -2580 amps

Espesor de la capa superior 2.83 metros Resistividad de la capa superior 1073.22 ohm-m Resistividad de la capa inferior 157.74 ohm-m Potenciales iguales (distintos) Sí

X1 -10 metros Y1 -10 metros X2 88 metros Y2 66 metros




Tensión máxima de paso 3015.93 voltios Tensión máxima de contacto 877.02 voltios

Máximo


Potenciales de paso 154.24 voltios Potenciales de contacto 878.658 voltios

Se observa el valor de la tensión de contacto máximo existente en la malla es de 878.658 V

un poco mayor al valor máximo permisible, pero sin embrago es aceptado ya que la malla para

este diseño es segura, como se observaron en los anteriores diagramas, Fig. 4.5 y Gráfico 4.2.

4.4 COMPARACIÓN DE SEGURIDAD ENTRE AMBAS MALLAS

A continuación se presentara una comparación de ambos estudios, donde se pueden

observar los diagramas de perfil de potenciales de la malla existente y de la malla que se

estudio y realizo la mejora.

En el Gráfico 4.3 se pueden visualizar las reducciones en los potenciales de contacto, que

era lo que se encontraba afectando de manera directa la efectividad de la seguridad de la malla

74

en la subestación, se puede observar de manera clara que dichos potenciales se encuentran por

debajo de los valores maximos permitidos.

Grafico 4.3. Comparación de Perfiles de Potencia de la Malla existente y de la Malla mejorada

Los valores tabulados de ambas mallas y las reducciones logradas para la malla

existente en la subestación, se presentan en la Tabla 4.11.

75

Tabla 4.11. Valores de Comparación del Estudio

Valores Máximos Tolerables

Malla Existente S/E Caja Seca Malla mejorada S/E Caja Seca

Elevación del potencial de

superficie

5893.42 V

4671.26 V

2447.32 V

Tensión máxima de

paso

2768.59 V

476.98 V

154.24 V

Tensión máxima de contacto

815.19 V

3319.34 V

878.658 V

Resistencia a tierra calculada

1 Ω 2.17242 Ω 1.03116 Ω

Ahora el nuevo diseño de la malla ofrece los niveles de seguridad exigidos por la empresa

CADAFE y acata con las normas de la IEEE80-2000.

4.5 DISEÑO DE UNA NUEVA MALLA SEGÚN CRITERIOS IEEE80-2000

Para razones de estudio se realizará el diseño de una malla para la subestación Caja Seca

que cumpla con los criterios y premisas exigidos por la IEEE80-2000 y por la empresa

CADAFE. Esto se realizara solo para estudiar como seria el efecto de una malla de puesta a

tierra que presente cuadriculas uniformes. Se observaran los parámetros de seguridad que

existirian, de ser esta la configuración de la malla.

Cabe destacar que la configuración fue realizada tomando en cuenta los mismos

parámetros de estudio para el análisis del suelo, por lo tanto, los valores de las resistividades

de las capas del suelo y los valores de las tensiones máximas permisibles se mantienen iguales.

Estos parámetros se encuentran en la Tabla 3.2.

Para el estudio se tomará en cuenta que la separación entre los conductores verticales es de

4 m aproximadamente, y los electrodos o varillas de puesta a tierra se colocaran de acuerdo a

76

las recomendaciones de la norma IEEE80-2000, que indica que se coloque un (1) electrodo en

cada esquina de la malla y luego de manera intercalada a lo largo de la periferia de la misma.

Al realizar el análisis con esta configuración se encontró con que el valor de la resistencia

a tierra no era el exigido por la empresa CADAFE (menor a 1 っ) y que además esta malla no

se encontraba por debajo de los valores máximos tolerables, haciendo de la malla poco

segura. Debido a esta situación se procedió a introducir una hilera más de electrodos,

igualmente de manera intercalada. La configuración de la malla de puesta a tierra se muestra

en la Fig. 4.9.

Fig. 4.7. Contorno de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra

El diagrama de los perfiles de potencial Gráfico 4.5, muestra que los potenciales en

cualquier región de la malla se encuentra por debajo de los valores máximos permisibles,

como se puede observar en el diagrama de manera grafica e igualmente en el reporte donde se

encuentran reflejados los valores tanto de los potenciales existentes como el de la resistencia a

tierra.

77

Gráfico 4.4. Perfil de Potencial de un nuevo diseño de malla a tierra

El reporte del análisis de esta malla de tierra Tabla 4.26.

Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla



Proyecto Malla Caja Seca

Estudio COMPARACION

Parámetros

Spec. Z paralelo equivalente Z infinito

Frecuencia nominal 60 hz

Nombre de la barra Barra 115 kV








Resistencia de tierra calculada 0.985352 ohmios

Impedancia equivalente 0.985255 ohmios

78

Tabla 4.12. Reporte de análisis de la nueva Malla (Continuación)



0 52 0.5 78 52 0.5 78 6.7 23.8701 Sym 1

0 48 0.5 78 48 0.5 78 6.7 18.1828 Sym 1

0 44 0.5 78 44 0.5 78 6.7 23.1288 Sym 1

0 40 0.5 78 40 0.5 78 6.7 24.4295 Sym 1

0 36 0.5 78 36 0.5 78 6.7 26.2754 Sym 1

0 32 0.5 78 32 0.5 78 6.7 25.7322 Sym 1

0 28 0.5 78 28 0.5 78 6.7 26.7397 Sym 1

0 24 0.5 78 24 0.5 78 6.7 25.7315 Sym 1

0 20 0.5 78 20 0.5 78 6.7 26.2734 Sym 1

0 16 0.5 78 16 0.5 78 6.7 24.4252 Sym 1

0 12 0.5 78 12 0.5 78 6.7 23.1146 Sym 1

0 8 0.5 78 8 0.5 78 6.7 18.1983 Sym 1

0 4 0.5 78 4 0.5 78 6.7 23.8845 Sym 1

0 0 0.5 78 0 0.5 78 6.7 35.3014 Sym 1

0 56 0.5 0 0 0.5 56 6.7 29.5178 Sym 1

3 56 0.5 3 0 0.5 56 6.7 20.9159 Sym 1

6 56 0.5 6 0 0.5 56 6.7 17.3554 Sym 1

9 56 0.5 9 0 0.5 56 6.7 18.7569 Sym 1

12 56 0.5 12 0 0.5 56 6.7 18.5299 Sym 1

15 56 0.5 15 0 0.5 56 6.7 19.2557 Sym 1

18 56 0.5 18 0 0.5 56 6.7 18.5642 Sym 1

21 56 0.5 21 0 0.5 56 6.7 19.0435 Sym 1

24 56 0.5 24 0 0.5 56 6.7 18.3212 Sym 1

27 56 0.5 27 0 0.5 56 6.7 18.7877 Sym 1

30 56 0.5 30 0 0.5 56 6.7 18.1097 Sym 1

33 56 0.5 33 0 0.5 56 6.7 18.6158 Sym 1

36 56 0.5 36 0 0.5 56 6.7 17.9982 Sym 1

39 56 0.5 39 0 0.5 56 6.7 18.5568 Sym 1

42 56 0.5 42 0 0.5 56 6.7 17.9982 Sym 1

45 56 0.5 45 0 0.5 56 6.7 18.6158 Sym 1

48 56 0.5 48 0 0.5 56 6.7 18.1097 Sym 1

51 56 0.5 51 0 0.5 56 6.7 18.7877 Sym 1

54 56 0.5 54 0 0.5 56 6.7 18.3212 Sym 1

57 56 0.5 57 0 0.5 56 6.7 19.0435 Sym 1

60 56 0.5 60 0 0.5 56 6.7 18.5642 Sym 1

63 56 0.5 63 0 0.5 56 6.7 19.2557 Sym 1

66 56 0.5 66 0 0.5 56 6.7 18.53 Sym 1

69 56 0.5 69 0 0.5 56 6.7 18.7569 Sym 1

72 56 0.5 72 0 0.5 56 6.7 17.3555 Sym 1

75 56 0.5 75 0 0.5 56 6.7 20.916 Sym 1

78 56 0.5 78 0 0.5 56 6.7 29.5178 Sym 1

Longitud total de los conductores primarios 2682 metros

0 0 0.5 0 0 3.09 2.59 7.9 2.2779 Asy 1

0 0 3.09 0 0 5.3 2.21 7.9 28.4567 Asy 1

79




0 56 0.5 0 56 3.09 2.59 7.9 2.2762 Asy 2

0 56 3.09 0 56 5.3 2.21 7.9 28.4423 Asy 2

78 0 0.5 78 0 3.09 2.59 7.9 2.2779 Asy 3

78 0 3.09 78 0 5.3 2.21 7.9 28.4567 Asy 3

78 56 0.5 78 56 3.09 2.59 7.9 2.2762 Asy 4

78 56 3.09 78 56 5.3 2.21 7.9 28.4423 Asy 4

0 8.1 0.5 0 8.1 3.09 2.59 7.9 1.5994 Asy 5

0 8.1 3.09 0 8.1 5.3 2.21 7.9 25.0754 Asy 5

78 8.1 0.5 78 8.1 3.09 2.59 7.9 1.5994 Asy 5

78 8.1 3.09 78 8.1 5.3 2.21 7.9 25.0754 Asy 5

0 16 0.5 0 16 3.09 2.59 7.9 1.4162 Asy 6

0 16 3.09 0 16 5.3 2.21 7.9 23.943 Asy 6

78 16 0.5 78 16 3.09 2.59 7.9 1.4162 Asy 6

78 16 3.09 78 16 5.3 2.21 7.9 23.943 Asy 6

0 24 0.5 0 24 3.09 2.59 7.9 1.359 Asy 7

0 24 3.09 0 24 5.3 2.21 7.9 23.5735 Asy 7

78 24 0.5 78 24 3.09 2.59 7.9 1.359 Asy 7

78 24 3.09 78 24 5.3 2.21 7.9 23.5735 Asy 7

0 32 0.5 0 32 3.09 2.59 7.9 1.3592 Asy 8

0 32 3.09 0 32 5.3 2.21 7.9 23.5752 Asy 8

78 32 0.5 78 32 3.09 2.59 7.9 1.3592 Asy 8

78 32 3.09 78 32 5.3 2.21 7.9 23.5751 Asy 8

0 40 0.5 0 40 3.09 2.59 7.9 1.4178 Asy 9

0 40 3.09 0 40 5.3 2.21 7.9 23.9554 Asy 9

78 40 0.5 78 40 3.09 2.59 7.9 1.4178 Asy 9

78 40 3.09 78 40 5.3 2.21 7.9 23.9554 Asy 9

0 48 0.5 0 48 3.09 2.59 7.9 1.5988 Asy 10

0 48 3.09 0 48 5.3 2.21 7.9 25.0972 Asy 10

78 48 0.5 78 48 3.09 2.59 7.9 1.5988 Asy 10

78 48 3.09 78 48 5.3 2.21 7.9 25.0972 Asy 10

6 0 0.5 6 0 3.09 2.59 7.9 1.6352 Asy 11

6 0 3.09 6 0 5.3 2.21 7.9 25.0288 Asy 11

6 56 0.5 6 56 3.09 2.59 7.9 1.6345 Asy 11

6 56 3.09 6 56 5.3 2.21 7.9 25.0216 Asy 11

12 0 0.5 12 0 3.09 2.59 7.9 1.4434 Asy 12

12 0 3.09 12 0 5.3 2.21 7.9 23.4603 Asy 12

12 56 0.5 12 56 3.09 2.59 7.9 1.4433 Asy 12

12 56 3.09 12 56 5.3 2.21 7.9 23.458 Asy 12

18 0 0.5 18 0 3.09 2.59 7.9 1.3484 Asy 13

18 0 3.09 18 0 5.3 2.21 7.9 22.6102 Asy 13

18 56 0.5 18 56 3.09 2.59 7.9 1.3484 Asy 13

18 56 3.09 18 56 5.3 2.21 7.9 22.6093 Asy 13

24 0 0.5 24 0 3.09 2.59 7.9 1.2993 Asy 14

24 0 3.09 24 0 5.3 2.21 7.9 22.1175 Asy 14

24 56 0.5 24 56 3.09 2.59 7.9 1.2993 Asy 14

80




30 0 0.5 30 0 3.09 2.59 7.9 1.273 Asy 15

30 0 3.09 30 0 5.3 2.21 7.9 21.8382 Asy 15

30 56 0.5 30 56 3.09 2.59 7.9 1.2731 Asy 15

30 56 3.09 30 56 5.3 2.21 7.9 21.838 Asy 15

36 0 0.5 36 0 3.09 2.59 7.9 1.2614 Asy 16

36 0 3.09 36 0 5.3 2.21 7.9 21.7087 Asy 16

36 56 0.5 36 56 3.09 2.59 7.9 1.2615 Asy 16

36 56 3.09 36 56 5.3 2.21 7.9 21.7086 Asy 16

42 0 0.5 42 0 3.09 2.59 7.9 1.2614 Asy 17

42 0 3.09 42 0 5.3 2.21 7.9 21.7087 Asy 17

42 56 0.5 42 56 3.09 2.59 7.9 1.2615 Asy 17

42 56 3.09 42 56 5.3 2.21 7.9 21.7086 Asy 17

48 0 0.5 48 0 3.09 2.59 7.9 1.273 Asy 18

48 0 3.09 48 0 5.3 2.21 7.9 21.8382 Asy 18

48 56 0.5 48 56 3.09 2.59 7.9 1.2731 Asy 18

48 56 3.09 48 56 5.3 2.21 7.9 21.838 Asy 18

54 0 0.5 54 0 3.09 2.59 7.9 1.2993 Asy 19

54 0 3.09 54 0 5.3 2.21 7.9 22.1175 Asy 19

54 56 0.5 54 56 3.09 2.59 7.9 1.2993 Asy 19

54 56 3.09 54 56 5.3 2.21 7.9 22.1172 Asy 19

60 0 0.5 60 0 3.09 2.59 7.9 1.3484 Asy 20

60 0 3.09 60 0 5.3 2.21 7.9 22.6102 Asy 20

60 56 0.5 60 56 3.09 2.59 7.9 1.3484 Asy 20

60 56 3.09 60 56 5.3 2.21 7.9 22.6093 Asy 20

66 0 0.5 66 0 3.09 2.59 7.9 1.4434 Asy 21

66 0 3.09 66 0 5.3 2.21 7.9 23.4603 Asy 21

66 56 0.5 66 56 3.09 2.59 7.9 1.4433 Asy 21

66 56 3.09 66 56 5.3 2.21 7.9 23.458 Asy 21

72 0 0.5 72 0 3.09 2.59 7.9 1.635 Asy 22

72 0 3.09 72 0 5.3 2.21 7.9 25.029 Asy 22

72 56 0.5 72 56 3.09 2.59 7.9 1.6343 Asy 22

72 56 3.09 72 56 5.3 2.21 7.9 25.0217 Asy 22

6 8 0.5 6 8 3.09 2.59 7.9 1.034 Asy 23

6 8 3.09 6 8 5.3 2.21 7.9 21.3649 Asy 23

72 8 0.5 72 8 3.09 2.59 7.9 1.034 Asy 23

72 8 3.09 72 8 5.3 2.21 7.9 21.3649 Asy 23

6 16 0.5 6 16 3.09 2.59 7.9 0.8772 Asy 24

6 16 3.09 6 16 5.3 2.21 7.9 20.7928 Asy 24

72 16 0.5 72 16 3.09 2.59 7.9 0.8772 Asy 24

72 16 3.09 72 16 5.3 2.21 7.9 20.7928 Asy 24

6 24 0.5 6 24 3.09 2.59 7.9 0.8344 Asy 25

6 24 3.09 6 24 5.3 2.21 7.9 20.6729 Asy 25

72 24 0.5 72 24 3.09 2.59 7.9 0.8344 Asy 25

72 24 3.09 72 24 5.3 2.21 7.9 20.6729 Asy 25

6 32 0.5 6 32 3.09 2.59 7.9 0.8345 Asy 26

81




6 32 3.09 6 32 5.3 2.21 7.9 20.674 Asy 26

72 32 0.5 72 32 3.09 2.59 7.9 0.8345 Asy 26

72 32 3.09 72 32 5.3 2.21 7.9 20.674 Asy 26

6 40 0.5 6 40 3.09 2.59 7.9 0.8779 Asy 27

6 40 3.09 6 40 5.3 2.21 7.9 20.7985 Asy 27

72 40 0.5 72 40 3.09 2.59 7.9 0.8779 Asy 27

72 40 3.09 72 40 5.3 2.21 7.9 20.7985 Asy 27

6 48 0.5 6 48 3.09 2.59 7.9 1.0342 Asy 28

6 48 3.09 6 48 5.3 2.21 7.9 21.3635 Asy 28

72 48 0.5 72 48 3.09 2.59 7.9 1.0342 Asy 28

72 48 3.09 72 48 5.3 2.21 7.9 21.3635 Asy 28

12 8 0.5 12 8 3.09 2.59 7.9 0.8656 Asy 29

12 8 3.09 12 8 5.3 2.21 7.9 20.0333 Asy 29

12 48 0.5 12 48 3.09 2.59 7.9 0.8657 Asy 29

12 48 3.09 12 48 5.3 2.21 7.9 20.0329 Asy 29

18 8 0.5 18 8 3.09 2.59 7.9 0.7961 Asy 30

18 8 3.09 18 8 5.3 2.21 7.9 19.4176 Asy 30

18 48 0.5 18 48 3.09 2.59 7.9 0.7963 Asy 30

18 48 3.09 18 48 5.3 2.21 7.9 19.4174 Asy 30

24 8 0.5 24 8 3.09 2.59 7.9 0.7643 Asy 31

24 8 3.09 24 8 5.3 2.21 7.9 19.0455 Asy 31

24 48 0.5 24 48 3.09 2.59 7.9 0.7645 Asy 31

24 48 3.09 24 48 5.3 2.21 7.9 19.0454 Asy 31

30 8 0.5 30 8 3.09 2.59 7.9 0.7479 Asy 32

30 8 3.09 30 8 5.3 2.21 7.9 18.8254 Asy 32

30 48 0.5 30 48 3.09 2.59 7.9 0.7481 Asy 32

30 48 3.09 30 48 5.3 2.21 7.9 18.8253 Asy 32

36 8 0.5 36 8 3.09 2.59 7.9 0.7407 Asy 33

36 8 3.09 36 8 5.3 2.21 7.9 18.7196 Asy 33

36 48 0.5 36 48 3.09 2.59 7.9 0.7409 Asy 33

36 48 3.09 36 48 5.3 2.21 7.9 18.7195 Asy 33

42 8 0.5 42 8 3.09 2.59 7.9 0.7407 Asy 34

42 8 3.09 42 8 5.3 2.21 7.9 18.7196 Asy 34

42 48 0.5 42 48 3.09 2.59 7.9 0.7409 Asy 34

42 48 3.09 42 48 5.3 2.21 7.9 18.7195 Asy 34

48 8 0.5 48 8 3.09 2.59 7.9 0.7479 Asy 35

48 8 3.09 48 8 5.3 2.21 7.9 18.8254 Asy 35

48 48 0.5 48 48 3.09 2.59 7.9 0.7481 Asy 35

48 48 3.09 48 48 5.3 2.21 7.9 18.8253 Asy 35

54 8 0.5 54 8 3.09 2.59 7.9 0.7643 Asy 36

54 8 3.09 54 8 5.3 2.21 7.9 19.0455 Asy 36

54 48 0.5 54 48 3.09 2.59 7.9 0.7645 Asy 36

54 48 3.09 54 48 5.3 2.21 7.9 19.0454 Asy 36

60 8 0.5 60 8 3.09 2.59 7.9 0.7961 Asy 37

60 8 3.09 60 8 5.3 2.21 7.9 19.4176 Asy 37

82




60 48 0.5 60 48 3.09 2.59 7.9 0.7963 Asy 37

60 48 3.09 60 48 5.3 2.21 7.9 19.4174 Asy 37

66 8 0.5 66 8 3.09 2.59 7.9 0.8654 Asy 38

66 8 3.09 66 8 5.3 2.21 7.9 20.0334 Asy 38

66 48 0.5 66 48 3.09 2.59 7.9 0.8656 Asy 38

66 48 3.09 66 48 5.3 2.21 7.9 20.0329 Asy 38

Longitud total de las varillas primarias 345.6 metros


Esto es solo un estudio realizado con los datos de la Subestación Caja Seca, con la

finalidad de establecer una comparación de la variación de un proyecto de una malla que

presenta una cuadricula irregular sin cumplir con los criterios de diseño al de una cuadricula

uniforme basados en los criterios para el diseño de mallas y redes de tierra.

83

CONCLUSIONES

Mediante el estudio realizado a la malla de la subestación Caja Seca con el software

CYMGRD como herramienta de análisis, se observo como en esta, los potenciales de contacto

presentes se encontraban muy por encima del valor máximo tolerable por una persona,

situación la cual generaba las molestias ocasionadas a los operarios al momento de tener

contacto con algunas de las estructuras, así como también la avería de ciertos equipos

electrónicos presentes en la planta.

También se determino el valor de la resistencia a tierra mediante el uso del software al

realizarse el análisis de la malla, donde este valor se encontraba por encima del valor máximo

exigido para las subestaciones de transmisión.

El programa ofrece una alternativa de estudio, donde se pueden evaluar cualquier tipo de

malla con configuración de conductores uniforme o presente una cuadricula uniforme.

Mediante la reconfiguracion de la malla por medio del diseño de una malla periférica y de

la inserción de electrodos, los valores de los potenciales de contacto en toda la extensión de la

malla fueron reducidos y llevados a valores que se encuentran por debajo del máximo

permisible e igualmente los potenciales de paso y potenciales de superficie se encuentran en

un rango menor al máximo permitido, haciendo la malla un sistema de red a tierra eficiente.

El valor de la resistencia de tierra se redujo significativamente, tomando en cuenta que

mediante los métodos realizados es difícil bajar el valor de la resistencia a tierra, aunque no se

encuentra dentro del rango exigido por la empresa CADAFE para subestaciones de

transmisión, representa un valor muy cercano a 1 Ω , lo cual es aceptable.

Sin embargo la mayor preocupación de la empresa era la reducción de los niveles de

potenciales de contacto, ya que esto afectaba de manera directa las operaciones en la

84

subestación, además de generar un peligro latente a las personas que laboran en la misma y a

las personas que se encuentren cerca de la subestación. Lo cual con el estudio se logró una

reducción importante, ya que el valor de la resistencia bajó a 1.03116 っ.

Al realizar el diseño de una malla completamente nueva, se quiso llevar el estudio a un

sistema que presentara una cuadricula uniforme con electrodos de puesta a tierra. Esto con el

fin de estudiar como seria el efecto de esta sobre el terreno de la subestación. Cabe destacar

que este diseño se realizo sin tomar en cuenta la malla ya presente, debido a que esto no

tendría ningún sentido ya que sobre la subestación no se podría realizar este nuevo diseño.

85

RECOMENDACIONES

Debido que el sistema de puesta a tierra en las subestaciones es de gran importancia para

garantizar la seguridad de las personas que laboran en ella, se recomienda mantenerlo en

constante chequeo.

Se recomienda igualmente que al realizar una ampliación en la subestación se verifique

como incrementa la corriente de cortocircuito y mediante el software se estudie si la malla que

existe sería eficiente.

Para una mejor reducción en el valor de la resistencia de puesta a tierra en la subestación

Caja Seca, se recomienda aplicar tratamiento químico del terreno sobre los electrodos que se

encuentren en las zonas donde se presenten los mayores valores de potenciales de contacto. Se

recomienda realizar la correcta conexión de los equipos a la malla de tierra.

86

REFERENCIAS

ANSI/IEEE Std 80-2000. (2000). Guide for asafety in AC Substation Grounding. Briceño, H. (Marzo, 1997). Guía y Procedimiento para la Medición de la resistividad

aparente e interpretación de los resultados. Briceño, H. Manual para la Medición de la Resistencia a Tierra de Sistemas de Conexión

a Tierra. Unidad de Proyectos. Asesoría e Innovación Tecnológica. Facultad de Ingeniería Universidad de Los Andes. Mérida-Venezuela.

C.A.D.A.F.E. Guía para el Diseño de Mallas de Tierra para Subestaciones. Caracas. C.A.D.A.F.E. (1984). NS-P-360. Especificaciones Técnicas para el Sistema de Puesta a

Tierra. Caracas-Venezuela. C.A.D.A.F.E. (1988). Presentación de Proyectos de Subestaciones de Transmisión.

Subestaciones Normalizadas por CADAFE. Caracas-Venezuela. C.A.D.A.F.E. (1996).Manual de Mantenimiento de Líneas y Operación de Subestaciones.

Caracas-Venezuela. CYMGRD 6.3 for Windows. (2006). User Guide and reference Manual. (Rev 7). Copyright

CYME International T&D Inc. Martín, J. R. (1990). Diseño de Subestaciones Eléctricas. México: McGraw-Hill. McDonald, J. (2007). Electric Power Substations engineering. (Segunda Edición). Estados

Unidos: Taylor & Francis Group.

87

ANEXOS

Tabla 1A. Resistividad de materiales superficiales caracteristicos (IEEE80-2000)

Resistividad de la muestra Ȏ.m

Número Descripción del material de superficie

Seco Húmedo

1 Granito 140x106 1300 (agua superficial,

45 っ.m)

2 Granito molido 1.5 pulg.(0.04 mts.) 4000 1200 (agua llovida, 100W)

3 Granito molido 0.75-1pulg. (0.02-0.025mts) ____ 6513 (10 min. después de drenar agua a

45 っ.m)

4 Grnito limpio 1-2 pulg. (0.025-0.05 mts.) 1.5x106 a 4.5x106

5000 (agua de lluvia, 100 っ.m)

5 Granito limpio 2-4 pulg. (0.05-1 mts.) 2.6x106 a 3x106 10000 (agua de lluvia,

100 っ.m)

6 Piedra caliza 7x106 2000-3000 (agua superficial

45 っ.m)

7 Granito limpio similar a la grava 0.75 pulg.

(0.02 mts.) 2x106 10000

8 Granito lavado 10x106 5000

9 Granito lavado #57 (0.75 plg)(0.02m)

190x106 800 (agua superficial,

45 っ.m)

10 Asfalto 2x106 a 30x106 10000 a 6x106

11 Concreto 1x106 a 1x109 21 a 100

Tabla 2A. Datos de la Subestacion Caja Seca (CADAFE)

Icc en 115 kV P.U. K.A MVA de CC en 115 kV 13.8 kV

Icc 3f 5.13291 2.58 MVA 3f 514.54 Nº %Z MVA

Icc 1f 3.62089 1.82 MVA 1f 120.84 P. TRAFO 9.92 16

MVA base 100 UNION 11 16

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Tabla 3A. Constante de los Materiales (IEEE80-2000)

Descripción Conductividad

del material (%)

Factor įr a 20ºC (1/ºC)

Ko en ºC

Temperatura de fusion a

Tm (ºC)

Ȣr 20 ºC

(ȞȎ.cm)

Capacidad Termica

TCAP[J/(cm3.ºC]

Cobre destemplado de suave trenzado 100.0 0.00393 234 1083 1.72 3.42

Cobre comercial de duro trenzado

97.0 0.00381 242 1084 1.78 3.42

Alambre de Acero con revestimiento de Cobre

40.0 0.00378 245 1084 4.40 3.85

Alambre de Acero con revestimiento de Cobre

30.0 0.00378 245 1084 5.86 3.85

Varillab de Acero con revestimiento de Cobre

20.0 0.0078 245 1084 8.62 3.85

Aluminio de grado EC 61.0 0.00403 228 657 2.86 2.56

Aleación de Aluminio 5005 53.5 0.00353 263 652 3.22 2.60

Aleación de Aluminio 6201 52.5 0.00347 268 654 3.28 2.60

Alambre de Acero con revestimiento de Aluminio

20.3 0.00360 258 657 8.48 3.58

Acero 1020 10.8 0.00160 605 1510 15.90 3.28

Varillac de Acero con revestimiento Inoxidable

9.8 0.00160 605 1400 17.50 4.44

Varilla de Acero con capa de Zinc 8.6 0.00320 293 419 20.10 3.93

Acero inoxidable 304 2.4 0.00130 749 1400 72.00 4.03

a de los estándares ASTM b Varillas de Acero con revestimiento de Cobre basado en 0.254mm(0.010 pulg.) de espesor del Cobre c Varillas de Acero con revestimiento Inoxidable en 0.508mm(0.020 pulg.) Nº 304 con espesor del Acero Inoxidable sobre el núcleo del Acero 1020.

Tabla 4A. Características físicas, mecánicas y eléctricas de los conductores

(http://www.maresa.com/conductoresbajaymediatension.pdf)

Resistencia

Corriente alterna 60 Hz Calibre AWG o MCM

Nº de

hilos

Diámetro De cada

hilo (mm)

Diámetro Del cable

(mm2)

Sección (mm2)

Peso (kg/km)

Capa de

Rotura (kg)

Corriente continua

20ºC (ohm/km)

25ºC 50ºC 75ºC

2 7 2.47 7.42 33.62 92.70 1.087 00.995757 1.0254 1.0991 1.182

1/0 7 3.12 9.36 53.51 147 1.734 0.6263 0.6376 0.6917 0.7458

2/0 7 3.50 10.51 67.44 186 2.091 0.5054 0.5054 0.5486 0.5915

4/0 7 4.42 13.25 107.2 296 3.335 0.3182 0.3182 0.3452 0.3722

http://www.maresa.com/conductoresbajaymediatension.pdf

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