Diseño de puesta a tierra/sistema de puesta a tierra en una red de subestación

Diseño de Sistema de Puesta a Tierra / Puesta a Tierra en una Red de Subestación

Introducción a la red de puesta a tierra de subestaciones

En alta y media tensión ^[1] Subestaciones aisladas en aire (AIS ) el campo electromagnético , cuyas causas son las cargas estáticas de cables y conductores desnudos y por las condiciones atmosféricas (oleadas ), voltajes inducidos en partes sin tensión de la instalación que crean diferencias de potencial entre partes metálicas y suelo y también entre diferentes puntos del suelo .

Situaciones similares pueden ocurrir cuando hay fallas entre partes activas de la instalación y partes no activas , por ejemplo en cortocircuito fase-tierra .

Estas diferencias potenciales dar origen al potencial escalonado y tocar potencial , o una combinación de ambos , que puede provocar la circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano , que puede causar daños a la gente.

Tensión de contacto (E _t ) se puede definir como la máxima diferencia de potencial que existe entre una estructura metálica puesta a tierra susceptible de ser tocada con la mano y cualquier punto de la tierra, cuando fluye una corriente de falla.

Es habitual considerar una distancia de 1 m entre la estructura metálica y el punto en el suelo.

Tensión de paso (E_s ) se define como la máxima diferencia de potencial que existe entre los pies cuando fluye una corriente de falla.

Es habitual considerar una distancia de 1 m entre los pies.

Un caso particular de tensión de paso es el voltaje transferido (E_trrd ) :donde se transfiere un voltaje dentro o fuera de la subestación desde o hacia un punto remoto externo al sitio de la subestación.

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Otros conceptos son :

• Aumento del potencial de tierra (GPR ): El potencial eléctrico máximo que puede alcanzar la rejilla de puesta a tierra de una subestación en relación con un punto de puesta a tierra distante que se supone que está al potencial de tierra remota. Este voltaje, GPR, es igual a la corriente máxima de la red multiplicada por la resistencia de la red.
• Tensión de malla (E_m ): El voltaje máximo de contacto dentro de una malla de una rejilla de tierra.
• Tensión de contacto metal a metal (E_mm ): La diferencia de potencial entre objetos metálicos o estructuras dentro del sitio de la subestación que pueden ser puenteados por contacto directo de mano a mano o de mano a pie.

El diagrama de la Figura 1 muestra los fenómenos mencionados anteriormente .

Figura 1:voltajes de contacto, de paso y transferidos

Para minimizar a valores aceptables de las corrientes a través del cuerpo humano , para garantizar la seguridad eléctrica para personas que trabajan dentro o cerca de la instalación , y también para limitar cualquier eventual interferencia eléctrica con equipos de terceros , SIA debe estar provisto de una puesta a tierra (o conexión a tierra ) sistema , al que se deben conectar todas las partes metálicas no vivas de la instalación , tales como estructuras metálicas, seccionadores de puesta a tierra, pararrayos, envolventes de cuadros y motores, raíles de transformadores y vallas metálicas .

Dado que la puesta a tierra influye en los niveles de sobretensiones y corriente de falla del sistema eléctrico , y la definición de los sistemas de protección, el sistema de puesta a tierra debe estar diseñado para garantizar que haya un funcionamiento adecuado de los dispositivos de protección, tales como relevadores de protección y pararrayos .

El diseño y la construcción del sistema de puesta a tierra deben garantizar que el sistema funcione durante la vida útil esperada de la instalación y, por lo tanto, debe tener en cuenta las adiciones futuras y la corriente de falla máxima para la configuración final.

Sistema de puesta a tierra está hecho de una malla de cable de cobre desnudo enterrado , con picas de tierra adicionales , y se calculará, recomendándose utilizar IEEE Std. 80-2000 .

• Publicación relacionada: Diferencia entre puesta a tierra, conexión a tierra y vinculación

Fórmulas importantes para diseñar un sistema de puesta a tierra de la red de una subestación

La sección transversal del cable enterrado debe calcularse de acuerdo con el valor de la corriente de cortocircuito fase-tierra , pero es común utilizar la corriente de cortocircuito trifásica para este propósito.

Para este cálculo se debe utilizar la siguiente fórmula :Dónde:

• Yo”_K1 es la corriente de cortocircuito de fase a tierra [A ]
• t_s es la duración de la falla [s ]
• Δθ es el aumento de temperatura máximo admisible [°C ] – para cobre desnudo Δθ =150 °C

Según el Estándar IEEE referido potencial de paso y contacto máximo tolerable y corriente máxima tolerable a través del cuerpo humano (I_hb ) y la resistencia de la rejilla terrestre (R_g ) se calculan mediante las fórmulas:

Potencial de paso máximo tolerable

Potencial táctil máximo tolerable

Corriente máxima tolerable a través del cuerpo humano

Resistencia de la Rejilla Terrestre

Dónde:

• C_s es el factor de reducción de la capa superficial y se calcula mediante la fórmula:
• t_s es la duración de la falla [s ]
• ρ _s es la resistividad del material superficial [Ω. m ] – valor típico para roca triturada húmeda/grava: 2500 Ω .m
• ρ es la resistividad de la tierra debajo del material superficial [Ω .m ]
• h_s es el grosor del material de la superficie [m ]
• A es el área ocupada por la cuadrícula de tierra [m ² ]
• l_T es la longitud total enterrada del conductor, incluidas las picas de tierra [m ]

Si no se usa una capa superficial protectora, entonces C_s =1 y ρ _s = ρ

Estos cálculos se suelen realizar con un software específico .

Red de puesta a tierra de subestaciones

La figura 2 muestra un ejemplo de la cuadrícula terrestre.

Figura 2:Cuadrícula terrestre

Los métodos más adecuados para la conexión de las conexiones a la red de tierra son :

a.) Soldadura exotérmica

Figura 3:soldadura exotérmica

Soldadura exotérmica es el proceso de conexión permanente de los conductores que utiliza metal fundido y moldes , que se basa en una reacción química entre óxidos metálicos (el conductor ) y polvo de aluminio encendido , que actúa como combustible , con liberación de energía térmica . Esta reacción química es una composición pirotécnica conocido como termita .

Se debe asegurar que el número de soldaduras exotérmicas realizadas con cada molde no supere las indicaciones del fabricante.

• Lea también:¿Cuál es la diferencia entre neutro, tierra y tierra?

b .) Conector C :

utilizando una herramienta de engaste hidráulica y matrices con un tamaño adecuado al tamaño de los conectores .

Figura 4:conector C y herramienta de crimpado

Cerca de las cajas de control de disyuntores, interruptores y aisladores se debe instalar una esterilla equipotencial metálica , conectado al sistema terrestre , similar a la que se muestra en la Figura 5.

Figura 5:Tapete equipotencial metálico

Es bueno saberlo:

[1] Ser U_n la tensión nominal de la red:HV – U_n ≥ 60kV; MV – 1 kV n ≤ 49,5 kV .

Sobre el autor:Manuel Bolotinha

-Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
– Maestría en Ingeniería Eléctrica e Informática (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova Universidad de Lisboa)
– Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor profesional