ANÁLISIS DE LA RED DE TIERRAS DE UNA CENTRAL TÉRMICA UBICADA EN TERRENO DE ALTA RESISTIVIDAD Autor: Blanco Martínez, Ana Director: Beato Castro, Domingo Entidad colaboradora: EMPRESARIOS AGRUPADOS A.I.E. RESUMEN DEL PROYECTO La instalación de puesta a tierra de una central consiste en la unión de todas las partes metálicas de la instalación no destinadas a conducir la corriente eléctrica, con una derivación final o toma de tierra , de manera que en ningún punto normalmente accesible (interior o exterior) de la instalación eléctrica, pueda presentarse una tensión peligrosa para las personas o para la instalación. El sistema de puesta a tierra cumple con esta función fundamental otorgando una baja resistencia a las corrientes nocivas de una instalación eléctrica, para su disipación a tierra antes que comprometa la seguridad de las personas involucradas o afecte a algún componente del sistema eléctrico. Un sistema de p.a.t. es un sistema de conductores de tierra horizontales que consisten en un número de conductores de cobre enterrados en el área principal de la central, formando una red o también denominada malla. En cuanto al diseño de la malla, ésta debe estar especialmente dimensionada para el caso de falta fase-tierra en los sistemas eléctricos de transporte. En este proyecto se va a realizar un análisis de la puesta a tierra de una central que presenta dos particularidades importantes: 1. Se encuentra ubicada en terreno de muy elevada resistividad 2. Se encuentra cerca del mar

Estas dos particularidades de la central determinarán su puesta a tierra. En primer lugar el hecho de encontrarse ubicada en terreno de elevada resistividad, supone una dificultad grande a la hora de conseguir evacuar la corriente ,que debida a una falta, llega a la malla de puesta a tierra. Al ser el terreno muy resistivo, presentará una elevada resistencia al paso de corriente, por lo que no será fácil evacuarla desde la malla hasta tierra, sin superar las tensiones de paso y contacto admisible. En segundo lugar el hecho de tener próximo el mar supone una ventaja, debido a que el terreno bajo el mar presenta menor resistividad ( ya que tiene más contenido en iones debido a la salinidad del mar). Con estas dos características de la central y subestación adyacente en estudio, se planteará el problema de la puesta a tierra de la misma. En el proyecto se realiza un doble planteamiento del problema : el planteamiento clásico basado en la formulación de la normativa clásica y el planteamiento alternativo basado en la investigación y el estudio de nuevos métodos en publicaciones de ámbito internacional. En el diseño clásico se escoge un modelo de resistividad del terreno de doble capa homogénea, que es el modelo más complejo que presenta la normativa IEEE 80. En base a esta normativa se realizan los cálculos de la puesta a tierra de la central y subestación que se consideran. Se hacen iteraciones sucesivas intentando siempre mejorar los resultados que presenta este modelo de doble capa del que se ha partido para representar el terreno, pero se observa que por mucho que se mejoren las condiciones de la malla ( nº de picas, nº de conductores, evacuación de corriente por un hilo de tierra más conductivo…etc) no se consigue llegar a que las tensiones de paso y contacto se encuentren bajo los valores admisibles en la normativa. En este momento comienza el estudio y el desarrollo del nuevo método. El éxito de este nuevo método y la correspondiente

limitación del método

clásico en el diseño de la puesta a tierra que nos ocupa , se debe a la consecución por parte del método alternativo de una mejor aproximación a la realidad del terreno.

En este método alternativo, el modelo que se hace del terreno consiste en tres capas de espesores no uniformes. La capa intermedia, que es la menos resistiva, presenta una cuña hacia el lado del litoral del mar debido a que bajo el mismo, la resistividad del terreno es menor. Así se consiguen evacuar hasta dos tercios de la corriente total de cortocircuito que llega a las mallas de la central

y su

subestación

adyacente

(interconectadas

mediante

dos

conductores) hacia el mar, y finalmente se obtienen resultados de tensiones de paso y contacto que se encuentran bajo los valores permitidos en las normativas. El modelo de terreno nos lleva a una formulación algo más compleja que la descrita en las normativas. En primer lugar las superficies de contacto de las distintas capas de terreno se modelarán como semielipsoides y la corriente que llega desde la malla a tierra vendrá por dos caminos: el camino de terreno rocoso y el camino de terreno menos resistivo debido a la cercanía al mar. Estos dos caminos se unen en el propósito de evacuar la corriente a tierra por lo que estarán en paralelo y de este modo se obtendrá la resistencia equivalente que presenta la intensidad en su recorrido desde la malla hasta el terreno. Con este modelo de resistencias obtenido en base al modelo de terreno , se consigue calcular el resto de parámetros necesarios para el cálculo de una puesta a tierra. En conclusión se puede decir que las normativas existentes para el diseño y cálculo de la red de puesta a tierra de una central ubicada en terreno de muy elevada resistividad, consideran unos modelos de terreno que no son una aproximación adecuada para el caso que nos ocupa. Es por esto que se investiga una nueva metodología que permita el cálculo más aproximado a la realidad de terreno elevadamente resistivo que presenta la central y como resultado el diseño presentará unos valores de parámetros fundamentales asociados a la puesta a tierra de una central como son las tensiones de paso, contacto y transferidas, entre otros, acordes con lo que especifica la normativa. En los cálculos de este proyecto se ha soportado el diseño con una formulación distinta de la proporcionada en la guía IEEE-Std-80. No obstante, los resultados de las mediciones de la red de tierras de la instalación deben

cumplir con los requisitos exigidos en la misma en relación con los parámetros de diseño desde el punto de vista de la seguridad.

ANALYSIS OF THE EARTHING GRID OF A POWER PLANT LOCATED ON A HIGH RESISTIVITY GROUND The earthing system of a power plant consists in the connection of all the installation’s exposed conductive surfaces not designed to conduct electric currents and a final earth connection. This prevents accessible surfaces (internal or external) within the electrical installation from having undesired dangerous voltages presenting risks for the operators or the equipment itself. The earthing system complies with this fundamental function by providing a low resistance to hazardous electrical currents, and allowing its dissipation into earth before it could comprise a person safety or that of any electrical component. An earthing system is one composed by a number of horizontal conductive copper wires, buried under the main area of the power plant, composing the earthing network, also referred to as a grid. Regarding the grid’s design, it must be specially dimensioned to withstand a line-to-earth fault in the electric transmission systems. This project is going to carry out a ground connection analysis of a power plant which presents two important particularities: 1.

It is located on a high resistivity soil.

2.

It is placed near the sea

These two attributes of the power plant will determine the ground connection to be used. In the first place, the fact of being placed on such a resistant soil creates an added challenge in evacuating the current when a fault occurs, arriving to the grid. Because of the soil’s resistivity, it presents a very high resistance to the fault current, increasing the complexity of leading this current from the grid to earth, keeping the step and touch voltage under the admissible values stated by the IEEE Standards

Regarding the second attribute of this power plant, the proximity of the sea entails an advantage given that the soil under it presents less resistivity due to its high salinity, implying that its higher ionic composition increases the soil’s conductivity. The problematic of the earthing installation of this power plant and the adjacent substation will be put forward under the premises set by these two outlined characteristics. This project will carry out two different approaches of the problem: The classic approach based on the IEEE Standards and the alternative approach based on studies and research of new methods published in international journals. In the classic design approach, a soil resistivity model of two homogeneous layers is chosen, which is the most complex model contained in the IEEE Standards. Based on this standard, the ground connection calculations of the power plant and its associated substation are executed and presented. Successive iterations have been made in an attempt to improve the results of this model, but it is observed than even the improvement of grid conditions (number of earth rods, number of earth wires, better guard wire, ..) does not result in any valid value of step and touch voltage complying with IEEE Standards. It is at this moment when the alternative investigation method starts. The success of this alternative approach, and the implied limitation of the classic methodology, on the design of the ground connection under analysis, is due to the better approximation to the reality of the soil’s characteristics in this alternative approach. In this alternative method, the soil resistivity model consists of three layers with non homogeneous thickness. The middle layer, which is the least resistant one, has a wedge towards the sea side, given that the soil’s resistivity under the sea is lower. In this way, two thirds of the total current fault of the power plant grid and its associated substation grid (which are interconnected

by two wires) are evacuated to the sea, and finally step and touch voltage values under standard limits are obtained. The ground model used has driven the analysis to a more complex formulation than the one described in the Standards and Regulations. In the first place, the contact surfaces of the different ground layers have been modeled as three-dimensional semi-ellipses, and the electric current from the ground grid arrives to earth from two routes: The rocky soil and the less resistant soil due to the nearness of the sea. These two paths share the purpose of evacuating the current to earth, and will therefore be aligned in parallel obtaining the equivalent resistance that presents the intensity on its trail from the grid to the ground. Under this model of resistance designed according to the ground model, the rest of parameters necessary for the calculation of the earthing connection are obtained. In conclusion, it could be said that the existing Standards for the calculation and design of power plant’s earthing grids are too rigid, when the plants are located on very high resistivity soils, as they consider soil models that are not an appropriated approximation of their soil attributes. Because of this, a new methodology has been investigated in order to allow a more approximated calculation, taking into account the reality of a high resistivity ground. As a result, this design will present values of fundamental parameters associated to the earthing of a power plant such as step and touch voltage and transferred voltage amongst others, according to what is specified under standard regulations. The design of these project’s calculations have been beared with a formulation different to the one provided under standard IEEE Std-80. Nonetheless, the results of the measurements of the earthing installation must comply with the requisites stipulated in this same Standard from a safety point of view.