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EVALUACIÓN Y DIAGNÓSTICO DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B” A 115 kV DE EDELCA

W.J. LEZAMA* H.R. GOMEZ

EDELCA Libre Ejercicio Profesional Venezuela Venezuela

Resumen – El trabajo representa los resultados obtenidos al evaluar la malla de puesta a tierra

de la S/E Parcelamiento Industrial “B” a 115 kV de EDELCA, la cual tiene 30 año de haber sido puesta en

servicio, mediante Inspecciones Visuales, Pruebas de Campo y Simulaciones utilizando los módulos RESAP,

AMPACIDAD, MALT y HIFREQ del paquete de Software CDEGS, la metodología utilizada fue una

investigación no experimental de tipo evaluativo y analítica, los valores obtenidos de los parámetros tales

como resistencia de puesta a tierra, aislamiento galvánico, voltaje de seguridad (toque y paso), gradiente de

potencial que caracterizan a la malla de puesta a tierra, obtenidos mediante las pruebas y mediciones

aplicadas que fueron posteriormente convalidados por simulaciones computacionales. Los resultados

obtenidos producto de la evaluación de la malla fueron satisfactorios y dentro los valores recomendados

por la norma IEE 80 AÑO 2000, Además se verifico el buen estado del conductor, barras y las soldaduras

exotérmicas que forman la malla lo cual garantiza un buen funcionamiento de la malla de puesta a tierra.

Palabras clave: Evaluación – Diagnóstico – Mediciones –Malla de puesta a tierra – Simulaciones

computacionales

1 INTRODUCCIÓN

La subestación Parcelamiento Industrial “B” (PIB) a 115 kV perteneciente a EDELCA, se encuentra ubicada

en la zona Industrial de Matanza, en Puerto Ordaz Estado Bolívar, Venezuela; la misma tiene como

finalidad proveer de energía eléctrica a empresas básicas (SIDETUR, FERROVEN, BAUXILUM y

PLANTA DE PELLA), esta subestación se encuentra operativa desde el año 1976 y es del tipo de doble

barra con acoplador alimentada por la subestación eléctrica Guayana con dos línea a 115 kV. En la

actualidad la subestación Parcelamiento Industrial “B” a 115 kV, tiene 30 años en servicio, lo cual implica

que probablemente los equipos y sistemas de esta subestación eléctrica, estén cumpliendo su tiempo de vida

útil. El sistema de puesta a tierra de la S/E, también se ve directamente afectado por el tiempo de servicio.

Los sistema de puesta a tierra en las subestaciones eléctricas garantiza las condiciones de seguridad de los

seres vivos (shock eléctrico y muerte por electrocución), permiten a los equipos de protección despejar

rápidamente las fallas (minimizar los daños en el sistema), sirven de referencia al sistema eléctrico, conducen

y disipan las corrientes de falla. Debido a los años en servicios que tiene la subestación la evaluación y

diagnóstico del sistema de puesta a tierra será de gran importancia para obtener información y datos

actuales, verificando de esta manera si cumple con las normas y estándares actuales. Para la evaluación y

diagnóstico de la malla de tierra fue necesarios la verificación de ciertos parámetros entre los cuales se

encuentran: resistividad del terreno, resistencia de puesta a tierra, continuidad galvánica entre otros ; también

con los datos actuales del sistema eléctrico de potencia de la subestación, asistido por un software para el

cálculo de los parámetros de la malla de tierra se obtuvo información muy aproximada sobre el estado actual

de la subestación en estudio, para verificar el estado en que se encuentra el sistema de puesta a tierra y así

determinar si es necesario la mejora del actual o el diseño de uno nuevo. El estudio realizado fue evaluativo

y analítico ya que mediante las pruebas eléctricas de campo se evaluó la condición actual del sistema de

XIII ERIAC DÉCIMO TERCER ENCUENTRO

REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRÉ

24 al 28 de mayo de 2009

Comité de Estudio B3 - Subestaciones

XIII/PI-B3 -103 Puerto Iguazú

Argentina

2

puesta a tierra de la S/E y también se realizó un análisis con datos actuales del sistema eléctrico de potencia

de esta S/E y una investigación documental, ya que se utilizaron informe técnicos, parámetros

estandarizados, normas, característica del diseño del sistema de puesta a tierra y planos, para lograr con éxito

el desarrollo de la investigación

2 EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA SUBESTACIÓN PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B”

Para realizar la evaluación del sistema de puesta a tierra (SPT) de la subestación se realizó una inspección

visual considerando excavaciones para verificar el estado de los conductores, barras y soldadura exotérmica

que compone la malla de tierra y también fue necesario definir un programa de mediciones de campo de

diversos parámetros, entre los que destacan la resistividad específica del terreno asociado a la subestación, la

resistencia de puesta a tierra (RPT) de la malla y la continuidad galvánica entre los equipos y estructuras con

respecto a la malla de puesta a tierra. Todas estas mediciones se realizaron con el fin de verificar que dichos

parámetros se encuentren dentro de los estándares establecidos por la IEEE Std 81-1983 y IEEE Std 80-

2000.

2.1 Inspección Visual

La inspección visual se realizó en dos etapas, primeramente se realizaron las excavaciones para poder

verificar el estado actual de los conductores de la malla, su conexiones, soldadura exotérmica y barras, luego

se realizó inspección visual de toda la estructura de la S/E, sala de mando, poste, cerca perimetral y cualquier

equipo que se encuentre dentro el área de la misma, tal como se muestran en la figura.1

Fig. 1 Excavaciones que muestra los conductores, barras y soldadura de la malla de tierra de la S/E

De la inspección se pudo observar lo siguiente.

3

• Todas las estructuras metálicas que se encuentra en la S/E, tienen su puestas a tierra coincidiendo

con las indicada en el plano de construcción de la malla de tierra

• Las conexiones de puesta a tierra de los equipos y estructuras se encuentran en buen estado

• Existen puesta a tierra de la cerca metálica que no llegan en su recorrido al último pelo del alambre

de púa

• En las excavaciones realizadas se observaron en buen estado la puesta a tierra de profundidad, las

soldadura exotérmica y los conductores que conforman la malla de tierra de la S/E

.

2.2 Medición de la resistividad específica del terreno

El método utilizado para la medición de la resistividad específica del terreno asociado a la subestación

Parcelamiento Industrial “B” fue el método de los cuatro (4) electrodos o método de Wenner, los resultados

se muestran en la Figura Nº2.

Fig. Nº 2 Resistividad específica del suelo en la subestación

2.3 Medición de la resistencia de puesta a tierra

Para medir la RPT de la malla de la subestación se utilizó el método de la caída de potencial o método de los

tres (3) electrodos, él cual es una particularización del método de inyección de corriente, se hicieron cuatro

mediciones de resistencia y luego se tomo el promedio de ellas obteniendo un valor de 1.33 Ω los resultados

que se muestran en la Tabla Nº I.

TABLA I VALORES DE RESISTENCIA MEDIDO

Punto de referencia R Medido en Ω (FLUKE 1625)

Cerca Perimetral 1.50

Poste 1.14

Cerca Perimetral 1.52

Poste 1.17

2.3 Medición de la continuidad galvánica

El objetivo principal de esta medición, fue el de verificar que los valores de continuidad galvánica entre los

equipos y la malla de puesta a tierra de la subestación, se encuentren por debajo de los estándares

establecidos por la IEEE Std 81-1983, la cual establece que el valor máximo permitido para este tipo de

instalaciones es de 0,05Ω. En la Tabla Nº II se muestran valores de continuidad galvánica obtenidos en

mediciones realizadas en dichas Subestación.

4

TABLA II CONTINUIDAD GALVANICA

PROTOCOLO DE PRUEBA DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA

MEDICIÓN DE LA CONTINUIDAD GALVÁNICA ENTRE EQUIPOS

INSTALACIÓN:

Subestación PIB a 115 kV

SITIO DE MEDICIÓN: FECHA: 14 – 03 - 2007

Punto de

Referencia

Punto de Estructura y/o

Bajante Fases A, B, C

R medida

(Ω)

R Int Conduct. (Ω)

R real = R Int– R me (Ω)

R requerida (Ω )

PORTICO # PORTICO # 2 1.305 1.361 0.056 0.05

1.302 1.361 0.059 0.05

PORTICO # 3 1.306 1.361 0.055 0.05

1.308 1.361 0.053 0.05

PORTICO # 4 1.314 1.361 0.047 0.05

1.312 1.361 0.049 0.05

PORTICO # 5 1.323 1.361 0.038 0.05

1.323 1.361 0.038 0.05

PORTICO # INTERRUPTO H 705 1.291 1.361 0.07 0.05

1.319 1.361 0.042 0.05

1.319 1.36 0.042 0.05

SECCIONADOR H 703 1.334 1.361 0.027 0.05

TC ASOCIADO AL H 705 1.315 1.361 0.04 0.05

1.312 1.361 0.049 0.05

1.309 1.361 0.052 0.05

3 SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PIB A 115 Kv

Debido a que no se contaba con información del Sistema de Puesta a Tierra de la Subestación, a excepto de

los planos de construcción de la malla, y luego de realizar las mediciones de resistividad y resistencia de

puesta tierra se realizaron simulaciones con el programa CDEGS para validar las mediciones y evaluar la

malla de tierra.

3.1 Comportamiento permanente del Sistema de Puesta a Tierra

Se utilizaron los módulos RESAP, MALT, AMPACIDAD, y HIFREQ del programa CDEGS, para

determinar los que caracterizan a la malla de tierra de la S/E, tales como; la resistividad específica del

terreno, la resistencia de puesta a tierra, el calibre del conductor principal, los potenciales de toque, de paso y

el GPR de la malla de puesta a tierra. Con el módulo RESAP se simuló la resistividad del terreno y la curva

ajustada de la resistividad aparente, ver fig.2, fig.3

Fig.3 Muestra las ventanas del módulo RESAP

5

Luego se realizó la simulación en régimen permanente para obtener los límites de seguridad para las

tensiones de paso y toque y gradiente del potencial utilizando el módulo MALT, lo cual se logra modelando

la malla de tierra de la S/E punto a punto y se analiza la peor condición de falla posible, la cual es para

ICC = 19,529, en la fig.4, se aprecia el modelaje de la malla. Los resultados obtenidos al correr el programa

utilizando los los párametros predefinidos en el módulo MALT de acuerdo a la norma IEEE80-2000 fueron

para una persona de 70 kg:

• Tensión de toque = 511,3 V

• Tensión de paso = 1552,9 V

En la fig.5, se observa la pantalla de seguridad, donde se muestra los valores anteriormente señalado

Fig.4.Módulo MALT, modelaje de la malla de la S/E Fig.5 . Pantalla de seguridad (SAFETY)

En fig.6 y 7 , se muestan las gráficas correspondientes en dos dimensiones (2D) y en tres dimensiones (3D)

de la tensión de toque en la S/E.

Fig.6. Tensión de toque en 2D. Fig.7. Tensión de toque en 3D

El reporte de la simulación dan como valores máximo permisible de la tensión de toque,para un tiempo de

despeje de falla de 0,5 segundo un valor de 1262,8 V. Esto quiere decir que el límite de seguridad es menor

que el valor máximo permisible y por tanto cumple con norma IEEE 80 -2000. En la gráfica de 2D se aprecia

que el mínimo valor es de 2021 V, y el voltaje de toque de seguridad es de 511,3 V, y en la gráfica de 3D se

muestra como se comporta la S/E con la tensión de toque, se observa que en todo momento se mantiene

uniforme en toda la malla. El análisis es similar para la tensión de paso, se puede observar en las fig. 8 y 9,

para la tensión de paso el límite maxímo permisible con un tiempo de despeje de falla de 0,5 segundo es de

4835,1 V, y el límite de seguridad en este caso es de 1552,9 V, lo que quiere decir que este se encuentra por

debajo y de esta manera cumpliendo con la norma IEEE 80-2000

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Fig.8. Tensión de paso en 2D Fig. 9. Tensión de paso en 3D

En las gráficas de las fig. 8 y 9, se puede observar que dentro de la S/E se mantiene los valores de tensión por

debajo de lo permitidos; y en los bordes aumenta un poco pero siempre por debajo de los límites.

Los Gradientes de potencial (GPR) se muestran en la fig. 10 Y 11 en 2D y 3D y se observa que en la peor

condición de falla para la cual fue diseñada la S/E, los potenciales se elevan todo por igual, evitando de esta

maneras que se produzcan descargas en forma de arcos eléctricos entre cualquieras de los objetos metálicos

que se encuentra instalados dentro de la S/E.

Fig.10.Gradiente de potencial (GPR) en 2D Fig.11. Gradiente de potencial (GPR) en 3D

El programa CDGS en su módulo MALT, posee una función llamada AMPACITY, la cual mediante 3

opciones, con los datos del conductor y de la corriente de falla Icc, se obtiene el valor del mínimo conductor

requerido de acuerdo a la norma IEEE 80-2000, el valor del incremento de la corriente simétrica en

presencia de la compensación DC, esto es debido a la componente offset DC en la corriente de falla y

causará al conductor un aumento de temperatura para la mismas condiciones de falla( duración y magnitud),

y dando el valor del máximo aumento de temperatura en el conductor al final de la falla, en la tabla III se

muestra el resultado de la simulación

TABLA. III. VALORES DE LA FUNCIÓN AMPACITY

Calibre mínimo del conductor principal (malla

principal)

117,8377 MCM

AMPACITY RMS 70,0295 kA, sin dc offset

68,2427 kA , con dc offset

Temperatura final 94,12°

De acuerdo a lo plano de construcción de la S/E, el calibre del conductor principal utilizado para la

construcción de la malla es de 350 MCM de cobre trenzado. De acuerdo a los valores arrojados por el

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programa y tipo de conductor que se indica en el plano este se encuentra bien dimensionado, ya que excede

el valor mínimo en los tres aspectos evaluados

3.2 Comportamiento transitorio del Sistema de Puesta a Tierra.

El sistema eléctrico cuando pasa de estado a otro se genera, por razón del cambio, un transitorio que se

manifiesta como una sobretensión o una sobre corriente que se propaga a través de las redes eléctricas y

pueden llegar a ocasionar daños. Los transitorios electromagnéticos más comunes son aquellos que tienen

origen en las maniobras en las fallas y en las descargas atmosféricas. Para la simulación del régimen

transitorio del SPT de la S/E, se utilizó el módulo HIFREQ para modelar dos barras que alimenta la S/E

aplicándole una condición extrema de sobrecorriente (simulando un impacto de rayo de gran magnitud) a 30

kA, y a una frecuencia de 40 Khz, en las gráficas de las fig. 12. Muestran en 2D y 3D el comportamiento

del Sistema de Puesta Tierra y en la gráfica se puede apreciar que para la condición transitoria extrema el

GPR se eleva a su máximo valor en la parte donde se ubica las barras I y II, mientras que en el resto de la

malla la tensión se mantiene uniforme

. Barra II

Fig.12 Elevación del gradiente de potencial en condiciones extremas

El voltaje de paso y toque máximo permisible determinado en la simulación, tomando en cuenta que una

persona se encuentra sobre una capa superficial de grava son: 3346,7 V y 1028,2 V, respectivamente lo que

quiere decir que para este caso extremo los límites de seguridad para el voltaje de toque 511,3 V y para el

voltaje de paso 1552,9 V son menores que los, máximos permisibles y por lo tanto cumple con las normas

IEEE 80-2000.

4 TABLA DE ÁNALISIS COMPARATIVO Y DE VERIFICACIÓN DE LA MALLA DE PUESTA A TIERRA DE LA S/E PARCELAMIENTO INDUSTRIAL “B” MEDIANTE LA NORMA IEEE 80-2000 Y SIMULACIÓN COMPUTACIONAL

TABLA.IV. ÁNALISIS COMPARATIVO

Parámetro de la

malla Malla actual

Simulación

CDEGS

Cumple IEEE

80-2000 Observaciones

Conductor de la

malla

Cobre duro

trenzado 350

MCM, 97% de

conductividad

Cobre duro trenzado

118 MCM, módulo

AMPACITY

Cumple con los

requerimientos de

la norma

Puede conducir un

incremento del 60%

de Icc El estado

del conductor es

bueno

Resistencia de

puesta a tierra

1.3Ω Valor

promedio medido.

1.9 Ω, Computo

Módulo MALT

Cumple, se

puede considerar

convalidados

Esta ligeramente

mayor que 1Ω valor

requerido por

EDELCA

8

Resistividad 636 Ω-m

(promedio)

P1 = 838,4877 Ω-m;

P2 =286,9427 Ω-m;

h= 6,093; módulo

RESAP

Los valores

obtenidos son muy

aproximados

GPR

25387,7 V,

Calculado: Icc *Rg

; Icc= 20kA

48321 V, Computo

módulo MALT

El GPR, es basado

entre dos punto

representativo de la

malla

Voltaje de paso y

de toque máximo

permisible

No se tiene

memoria

descriptiva de

diseño

Vtouch = 1262,8 V

Vstep = 4835,1 V

Computo modulo

MALT

Cumple con la

norma, las

tensiones de

seguridad;

Vtouch =511,3 V

Vstep = 1552,9 V

las tensiones de

seguridad son

menores que la

arrogada por el

módulo MALT

5 CONCLUSIONES

Luego de realizar la evaluación y diagnóstico del Sistema de Puesta a Tierra de la S/E Parcelamiento

Industrial “B”, se tiene las siguientes conclusiones:

• Se determinaron los parámetros actualizados del SPT de la S/E, resistividad, resistencia de la malla

de tierra, voltaje de toque, voltaje de paso y gradiente de potencial y actualización de planos de

construcción de la malla de tierra

• La inspección visual indica en forma general que los conductores y conexiones son adecuados y se

encuentra en un buen estado

• El conductor principal actual de la malla es adecuado y se encuentra dimensionado de acuerdo al

sistema de potencia actual, comprobado por la inspección visual, simulación y norma IEE80-2000

Guide for Safety in AC Subestation Grounding

• Las pruebas de continuidad galvánica dieron resultados satisfactorios, en la mayorías de las

mediciones es menor que 0,005 Ω que es el valor máximo que permite la norma IEEE80-2000;

indicando de esta manera que todos los equipos y estructuras se encuentra conectado a la malla y

garantizando de esta manera equipotencialidad

• Los voltajes de toque y paso obtenidos en régimen permanente, son menores que los máximos

permisibles, en ambos casos con una holgura mayor al 100% del voltaje de seguridad para alcanzar

los voltajes máximo permisibles, por lo cual el sistema se encuentra en un buen estado de seguridad

para las personas que se encuentre en el patio de la S/E según la norma IEER 80-2000

• El gradiente de potencial se mantiene uniforme al momento de una falla como se observó en las

gráficas de 2D y 3D, todos los potenciales se elevan uniformemente lo que garantiza que no se

producirán descargas en forma de arcos eléctricos entre las estructuras conectadas a la malla de tierra

• En el caso de régimen transitorio se simuló una descarga atmosférica consistente en un rayo de

magnitud de 30 kA a 40 Khz, observándose que el mayor aumento de potencial ocurre debajo la

barra I y II, mientras que el resto de la S/E se mantiene equipotencial

• El SPT, se encuentra en buen estado y en condiciones operativas, siendo la primera vez que se

realiza una evaluación del SPT.

6 REFERENCIAS

[1] SES. CDEGS, version 11. 3. 107; 2004

[2] IEEE Std 80 -2000 “Guide for Safety in AC Subestation Grounding”

[3] IEEE Std 81 - 1983 “ Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface

Potentials of Ground System”

[4] Especificaciones Técnicas Generales de Subestaciones “ETGS7EEM-270. 1991”

[5] W.J. LEZAMA, E. MACERO, M. MORALES; “Evaluación de los Campos Electromagnéticos y la

Influencia del Tendido de Alta Tensión Sobre los Conductores de Control y Medición en la S/E Jose

400/115 kV”

[6] Plano de Construcción de la Malla de Tierra de la S/E Parcelamiento Industrial ”B” a 115 kV