puestas a tierra linea de subtransmision transelectric
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7/23/2019 Puestas a Tierra Linea de Subtransmision TRANSELECTRIC
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ESTUDIODE
PUESTAS
A
TIERRA
PARA
LINEAS
DE
230KV
CASO:L/TPOMASQUIFRONTERAII.SEGUNDAINTERCONEXINECUADORCOLOMBIA230kV
Resumen:
Los contrapesos, o antenas de puesta a tierra son
los elementos que mejor disipan las corrientes
parsitas en los sistemas elctricos, como se puede
demostrar por modelaciones algebraicas. Sin
embargo, en los casos particulares de lneas de
transmisin que pasan por terrenos usados para el
cultivo, la instalacin de estos contrapesos ha
causado molestias a los agricultores quienes
muchas veces de manera involuntaria cortan estos
cables para pasar con el rastrillo mecnico del
arado.
Para evitar que la torre quede sin su puesta a tierra,
se realizaron diseos que usen las proximidades de
la torre y no se extiendan hasta los terrenos
arables, introduciendo tambin el concepto demejoramientos de tierras.
El presente trabajo da una introduccin bsica de
las puestas a tierra para estructuras componentes
de una lnea de transmisin, a continuacin se
presenta el clculo de contrapesos y luego se
realizan las formulaciones algebraicas para la
sustitucin de las antenas por mallas en la cercana
de la torre. Para el uso de mejoramientos de puesta
a tierra con suelos artificiales intensificadores se
presenta la forma en que fueron instalados en la
lnea de transmisin.
Introduccin:
Los sistemas de puesta a tierra tienen como
funcin principal la proteccin de las personas que
conviven cerca de las instalaciones elctricas y el
cuidado de los equipos que forman parte del
sistema elctrico con una proteccin efectiva que
minimice el efecto de las corrientes de
cortocircuito y descargas elctricas.
En el caso de lneas de transmisin, los sistemas de
puesta tierra cumplen efectivamente las dos
funciones: La proteccin de las personas y
animales que conviven en la cercana de las
instalaciones y resguardan a la vez a la lnea de
transmisin de posibles descargas atmosfricas
como de corrientes de falla que eventualmente se
pueden presentar.
Quito,5dejuniode2009rea:GENERACINYTRANSMISINPuntodelTemario:GT1.2.1
Autor: ING.MORALESCASTILLORAULALEXANDEREmpresaoEntidad:CELECS.A.TRANSELECTRICCargo:ProfesionalTcnicoIII
DATOSDEAUTORDireccin: ManuelAnguloE1399Telfonosof: 2234151Celular(es): 098702355Fax: (02)2502825Email: [email protected]:Tierra,rayos,
contrapesos,intensificador,mallas,
fallas
XXIVSEMINARIONACIONALDELSECTORELCTRICOECUACIERCNELSTO.DOMINGO
SantoDomingo,22,23y24dejuniode2009
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Los diseos de puesta a tierra para lneas de
transmisin consideran dos parmetros esenciales:
El nivel bsico de aislamiento de la lnea
(BIL)
La resistividad elctrica del suelo en
donde se monumenta la torre.
Para niveles de tensin iguales o inferiores a 230
kV, las descargas atmosfricas son mandatorios
para el diseo de tierras, puesto que los niveles
que alcanzan estos fenmenos pueden afectar el
funcionamiento de las lneas; mientras que para
sistemas con niveles iguales y superiores a 500kV,
en la proteccin de tierra se debe considerar los
fenmenos de maniobra, en donde se pueden darruptura de aislamiento.
Hay que considerar tambin que las protecciones
de lneas de transmisin es una ciencia basada en
la estadstica y las probabilidades, por tanto, para
la ingeniera de tierras se han considerado franjas y
campanas de Gauss en donde se garantiza al menos
que el 97.7% de las fallas ser resistido por el
aislamiento de las instalaciones evitando la salida
de las lneas por descargas atmosfricas y
sobretensiones de maniobra.
En una lnea de transmisin, con el objeto de
cumplir con los parmetros esenciales antes
mencionados, la puesta a tierra se realiza en todas
y cada una de las estructuras que los conforman, y
los diseos consideran el lmite superior de
resistencia de puesta a tierra en 10 , basados en
la norma del Ex-INCEL.
Conceptos bsicos a considerar:
En los sistemas elctricos se considera a la tierra
como un elemento con infinita capacidad de
absorcin de energa y con un nivel de tensin de
0V; lo que representa una excelente referencia
elctrica.
El funcionamiento de una puesta a tierra se puede
entender de manera muy sencilla cuando se la
relaciona con descargas de tipo atmosfrico, y se
puede luego relacionar un funcionamiento similar
para situaciones de sobretensiones de maniobra.
Para el estudio del funcionamiento de una puesta a
tierra entonces, primero se revisar las
caractersticas de una descarga atmosfrica:
Una descarga atmosfrica, comnmente conocida
como rayo puede considerarse como una fuente
de corriente, capaz de hacer fluir una corriente
permanente a travs de una impedancia. La tensin
producida por el rayo es el producto de la corriente
y de la impedancia a travs de la que fluye. El
rango de las corrientes del rayo se estima desde
2.000 a 130.000 Amperes y la distribucin de
valores, en la forma como ocurre frecuentemente
en la naturaleza, se asume del tipo logartmica
normal.
Segn la norma NZS/AS 1768, las corrientes
mximas son: 1% de 130kA con gradiente de
asenso di/dt de 70kA/s; 90% de 12kA con di/dt
de 10kA/s; y 99% de 5kA con di/dt de 6kA/s.
En el impacto de un rayo se presenta un gran
impulso de campo electromagntico que viaja con
gran intensidad hasta por 7 kilmetros, por tanto
los efectos inducidos y radiados producirn
acoplamientos en instalaciones elctricas cercanas.
Las puestas a tierra en torres constituyen la
solucin ms econmica para el despeje de una
falla ocasionada en cualquier punto de una lnea de
transmisin, cumpliendo de esta manera con el
BIL de la lnea.
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Contrapeso:
Es conocido que el contrapeso o antena enterrada
es el mejor disipador de las descargas en una lnea,
pues los impulsos de corriente se propagan a 1/3
de la velocidad de la luz (80m/us).
El comportamiento al impulso es de una
impedancia alta, pero al propagarse la onda de
corriente a lo largo de su extensin, v/i, se ve
reducida en un tiempo dependiente de su longitud.
Por este motivo, los contrapesos se calculan con un
tiempo de viaje mayor a 1s, para evitar retorno de
onda (back flashover) .
Las formulaciones para determinar la longitud de
los contrapesos son varias, dependiendo del autor,
En TRANSELECTRIC se adopt la siguiente:
Donde:
= resistividad de terreno
L = Longitud del contrapeso
a = Radio del cable
d = Profundidad de enterramiento.
R = resistencia de puesta a tierra (8)
Datos utilizados para el clculo de alternativas al
contrapeso:
Resistencia a pie de torre: 10mximo; 8 para
el clculo.
Varillas tipo copperweld de un dimetro de 3/4 y
5/8 con una longitud de 10 pies.
Conductor de acero recubierto de Cu 3No.8 AWG
Resistividades de terreno por torre en m.
Diseo formal:
Para tipo 1 (dos varillas)
El lmite de resistividad viene dado por la
ecuacin:
A
L
LR
2ln
2
Donde:
= resistividad de terreno
L = longitud enterrada de la varilla
A = radio equivalente del arreglo
R = resistencia de puesta a tierra (8)
Este tipo se limita hasta 49 m, con una distancia
de separacin entre varillas de hasta 15 metros.
Para tipo 2 (cuatro varillas)
El lmite de resistividad viene dado por la misma
ecuacin anterior, pero con el cambio en el valor
del radio equivalente del arreglo.
Este tipo se limita hasta 80 m, con una distancia
de separacin entre varillas de hasta 15 metros en
diagonal.
Para tipo 3 (cuatro varillas con malla)
El lmite de resistividad viene dado por laecuacin:
LA
R
11443.0
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Donde:
= resistividad de terreno
L = Longitud total del conductor
A = rea total de la malla
R = resistencia de puesta a tierra (8)
Este tipo se limita hasta 184 m, con una distancia
de separacin entre varillas de hasta 17.7 metros
en diagonal. Cabe indicar que se consideran en la
longitud los chicotes que unen a la torre con la
malla.
Para tipo 4 (seis varillas con malla)
El lmite de resistividad viene dado por la
ecuacin:
D
L
D
L
D
LL
a
L
LR
3sin
2
6sin
24ln
12
Donde:
= resistividad de terreno
L = Longitud total de las varillas de
puesta a tierra
a = rea de la varilla
D = Dimetro de la malla
R = resistencia de puesta a tierra (8)
Este tipo se limita hasta 310 m, con una distancia
de dimetro de crculo de hasta 10 metros, y
varillas dobles, es decir, dos varillas unidas por
soldadura exotrmica.
Tipos con mejoramiento de suelo
El uso de intensificadores de puesta a tierra, ayuda
en el sentido de disminuir el rea de la malla, por
lo que se han realizado los clculos tomando un
promedio de los intensificadores que existen en el
mercado.
As, la formula que generaliza el uso de los
intensificadores, es:
Para tipo 5 (dos varillas con mejoramiento)
f
A
L
LR*
2ln
2
Donde:
= resistividad de terreno
L = longitud enterrada de la varilla
A = radio equivalente del arreglo
R = resistencia de puesta a tierra (8)
f = factor de mejoramiento (10 en
caso de 2 varillas)
Este tipo se limita en 650 m.
Considerar que este factor no es lineal, y se podra
requerir del uso del intensificador en lo
contrapesos de conexin con las torres, o aadir
pequeos contrapesos con mejoramiento alrededor
de la torre. En general, se recomienda el uso de
tipo 6, para resistividades de suelo alta.
Para tipo 6 (cuatro varillas con malla y
mejoramiento)
El lmite de resistividad viene dado por la
ecuacin:
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f
LA
R*
11443.0
Donde:
= resistividad de terreno
L = Longitud total del conductor
A = rea total de la malla
R = resistencia de puesta a tierra (8)
f = factor de mejoramiento (15 en
caso de 4 varillas con mejoramiento)
Este tipo se limita hasta 2700 m, con una
distancia de separacin entre varillas de hasta 15
metros en diagonal.
En caso de encontrar resistividades superiores, se
puede hacer arreglos adicionales en este tipo, como
es por ejemplo la inclusin de una cruz de
contrapesos en el cuadro de la malla, de esta
manera se aumenta L, y se mejora el valor de
resistencia final.
PROCEDIMIENTO QUE SE SIGUI PARA
COLOCAR EL GEL INTENSIFICADOR PARA
MEJORAMIENTO DE PUESTA A TIERRA EN
LA L/T POMASQUI FRONTERA II.
Pasos a seguir:
Determinar y catalogar el tipo de suelo en uno de
los siguientes grupos:
Suelo blando
Suelo arenoso
Suelo rocoso
De acuerdo al tipo de suelo, el procedimiento es el
siguiente:
Suelo blando:
1. Excavar con la siguiente forma y con las
siguientes dimensiones:
Explicacin:
La excavacin se realiza con un barreno de 20 cm
de dimetro hasta una profundidad de L/3 m + 20
cm, lo cual se rellena con el gel conductivo, los 20
cm de enterramiento de la varilla se hace con suelo
natural compactado.
Suelo arenoso:
2.
Excavar con la siguiente forma y con lassiguientes dimensiones:
0.2m
L/3+0.2m
0.2m
Lm
Espaciocongel
Varilladepuestaatierra
Rellenocompactado
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Explicacin:
La excavacin se realiza con un tipo embudo de
PVC de 10 cm de dimetro hasta una profundidad
de L/2 m + 20 cm, esto para que la excavacin no
se tape. El resto de la varilla se clava en el terreno.
Se rellena con el gel conductivo, Se retira el tubo
de PVC para que el gel entre en contacto con el
suelo. Los 20 cm de enterramiento de la varilla se
hace con suelo natural.
Suelo rocoso:
3.
Excavar una zanja hasta que se encuentresuelo donde anclar la varilla en su
totalidad y proceder de la siguiente forma
y con las dimensiones indicadas:
Explicacin:
La excavacin se realiza con un barreno de 20 cmde dimetro hasta una profundidad de L/3 m, lo
cual se rellena con el gel conductivo, Se excava
una zanja de 20cm de ancho hasta una profundidad
de 60 cm para el contrapeso. Esta zanja se rellena
con Gel en 8 cm alrededor del contrapeso.
Generalidades para la instalacin de un suelo
conductivo:
1.
No se debe utilizar ms de un dosis de gel(1 saco) por varilla.
2.
Una dosis de gel no debe exceder los 7
metros de contrapeso.
3.
La aplicacin es directa, es decir en
polvo.
4. Luego de la aplicacin y antes de la
compactacin, es necesario la hidratacin
del Gel, lo que se har con agua limpia,
sin presin.
RESULTADOS OBTENIDOS APLICANDO
LOS DISEOS DE PUESTA A TIERRA
PRESENTADOS EN LA LNEA DE
TRANSMSIN POMASQUI FRONTERA II
230KV.
Contrapeso
hastalatorre
0.2m
L/3 m
Espaciocongel
0.2m
L/2+0.2m
Lm
Varillade
puestaatierra
Relleno
compactado
0.1m
Espaciocongel
Rellenocompactado
0.2m
Varilladepuesta
atierra
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La lnea de transmisin Pomasqui Frontera II a
230kV present diferentes tipos de suelo, a lo
largo de su recorrido, los valores de resistividad
variaron entre 12m a 2.670m, como se muestra
en el perfil de resistividades de la lnea.
Como se puede observar, en la zona cercana a
Colombia, en las torres desde E220 a E235, las
resistividades son sumamente altas, y adems son
zonas de cultivos de papa muy explotados
(provincia del Carchi).
Ahora, si el diseo normal de contrapesos se
aplicara en estas torres, la longitud de cable a
utilizar habra sido de al menos 750m, distribuidos
en sus 4 patas, para una resistividad de 2700m.
Enterrar 188 m de cable por pata, implica una
zanja con movimiento de tierra sumamente alto,
para luego compactarlo, y obviamente,
atravesando todo el terreno cultivable por ambos
lados.
En esta torre se aplic el tipo 6 de puestas a tierra,
es decir, cuatro varillas en malla con mejoramiento
de suelo.
El resultado fue una resistencia de puesta a tierra
de 9como se esperaba.
En general, a lo largo de la lnea de transmisin, en
62 torres se realiz mejoramiento de tierras,
evitando de esta manera el uso de contrapesos,
pero manteniendo la resistencia de puesta a tierra
dentro de los parmetros exigidos en el clculo de
aislamiento.
En 91 estructuras se utiliz los arreglos con malla
en la base de la torre, (correspondientes a los tipos
3 y 4 del diseo); dando un gran total de 153 torres
con el diseo alternativo para reemplazo de
contrapesos.
Cabe indicar que en todos los sitios en los que
existe actividad humana o animal, se exigi
enterrar la malla o las varillas a 1m de
profundidad, con el objeto de reducir el riesgo de
tensiones de paso peligrosas, que puedan afectar a
seres vivos, cumpliendo de esta manera todos los
objetivos que tienen las puestas a tierra para lneas
de transmisin.
En algunos sitios, en donde la caracterstica del
suelo era de baja resistividad elctrica y con nivel
fretico considerable, se coloc sellos de suelo
cemento en los alrededores y dentro del rea de la
torre, para evitar problemas de tensin de toque.
Conclusiones:
1.
Una buena puesta a tierra en las torres de
transmisin de alta tensin, reduce
considerablemente el riesgo de salida de
la misma por descargas atmosfricas o
por algn otro tipo sobretensin sobre
ella.
2. A pesar de que los contrapesos tienen un
funcionamiento adecuado para el despeje
de fallas por tierra, presenta una molestiapara los agricultores, motivo por el cual
son normalmente mutilados; en este
sentido se buscan alternativas que
mantengan la seguridad de la lnea y
eviten molestias a los campesinos.
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3.
Las mallas de puesta a tierra son una
alternativa viable, pues ocupan el espacio
alrededor de la torre, y mantienen los
niveles requeridos de resistencia elctrica.
4.
El costo de enterrar contrapesos largos es
elevado, ms an si se considera que los
sitios en donde las resistividades de
terreno son altas usualmente se encuentra
roca; en este caso el mejoramiento de la
puesta a tierra con elementos qumicos
brindan facilidad de instalacin con
buenos resultados.
5. Los sistemas de mejoramiento de suelos
para puestas a tierra no se limitan tan solo
al gel intensificador, tambin se prob en
la lnea mejoramientos con suelos
grafitos, y electrodos especiales, los
mismos que dieron buenos resultados,
pero su costo fue algo ms elevado, por lo
que fueron rechazados para esta lnea.
6.
El gel intensificador est promocionado
tambin como componente fundamentalpara concretos conductivos, sta funcin
se ha dejado de lado por lo pronto hasta
no realizar pruebas de resistencia
mecnica y durabilidad de la mezcla.
Bibliografa:
1. Casas Favio, Tierras Soporte de la
seguridad elctrica, segunda edicin,
junio 2003, Colombia.
2. Varios autores, Diseos de mallas de
puesta a tierra, Departamento de
electrotcnica, Universidad de Buenos
Aires, Marzo 2004, Argentina.
3.
Gonzales Csar, Diseos de mallas y
mejoramiento de puestas a tierra, folleto
No.1, Seguridad Industrial Ltda., Bogot
2006.