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Nombre del documento: CALCULOS MALLA DE PUESTA A TIERRA ESTRUCTURA LINEA 115 kV CAMPOBONITO Consecutivo del documento: LE-FR-CON-256-MC-002

CALCULO MALLA DE PUESTA A TIERRA ESTRUCTURAS DE LA LINEA 115 kV CAMPOBONITO CONSTRUCCION PARA RECONFIGURACION DE LA LINEA DE TRANSMISION EN DOBLE CIRCUITO A 115 KV, PARA LA CONEXIÓN DE LA SUBESTACION CAMPOBONITO EN EL MUNICIPIO DE PUERTO LOPEZ, INCLUYE SUMINISTRO DE MATERIALES, OBRAS CIVILES, MONTAJES, PRUEBAS Y PUESTA EN SERVICIO

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13/10/2011

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CONTENIDO

1

OBJETO _________________________________________________________ 3

2

ALCANCE________________________________________________________ 3

3

DESARROLLO ____________________________________________________ 4 3.1

MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO ____________________ 4

3.2

VERIFICACION DEL CONDUCTOR DE LA MALLA ___________________ 5

3.2.1 DETERMINACION DE LA MAXIMA CORRIENTE POR LA MALLA _____ 6

4

3.3

DATOS DE EVALUACION DE LA MALLA___________________________ 7

3.4

RESULTADOS ________________________________________________ 9

REFERENCIAS __________________________________________________ 10

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1

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OBJETO

Dar a conocer los resultados del Cálculo de la Malla de Puesta a Tierra para las estructuras de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito 115kV.

2

ALCANCE

En este documento presentamos la metodología seguida para calcular y diseñar el sistema de puesta a tierra de la zona donde se construirán las bases para las estructuras de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito 115 kV. LOCALIZACION CORREDOR DE LA LINEA 115 kV

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3

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DESARROLLO

Todo sistema de puesta a tierra debe cumplir con el doble propósito de protección y referencia eléctrica. Para cumplir con el propósito de protección, se deben limitar las tensiones máximas de toque y de paso para proteger la integridad de las personas y los equipos que están sobre la malla de tierra. En correspondencia con el Artículo 15: Puestas a Tierra, del Reglamento Técnico de Instalaciones Eléctricas - RETIE [1], se utiliza como procedimiento de cálculo el método consignado en la Norma IEEE Std 80 – 2000 [4] la cual establece procedimientos de diseño para lograr la limitación de estas tensiones. Por tal razón no se deben tener en cuenta los valores de máxima tensión de contacto indicados en la tabla 22 del RETIE ya que estos sólo consideran la resistencia neta del cuerpo humano entre mano y pie, es decir, no considera el efecto de las resistencias externas adicionalmente involucradas entre la persona y la estructura. 3.1

MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO

De acuerdo con las mediciones de resistividad, se toma como base la medición de la resistividad aparente obtenida de las mediciones. (ANEXO No 1-RESISTIVIDAD LINEA CAMPOBONITO 115 KV). Para el diseño de la malla de tierra se tomó una resistividad promedio de cada punto así: Punto 1-:

1.600 Ω- m.

Punto 2-:

1.700 Ω- m.

Punto 3-:

500 Ω- m.

Resistividad aparente del suelo eje de la línea 115 kV = 1.460 Ω- m.(Ver anexo 1 medida de Resistividad). Una vez se construya la malla de puesta a tierra de la estructura de la torre para las líneas de entrada y salida a la subestación CAMPOBONITO 115 kV, se debe verificar que la resistencia de puesta a tierra corresponda con los valores permitidos. De no ser así deben instalarse contrapesos.

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VERIFICACION DEL CONDUCTOR DE LA MALLA

Debido a la posible circulación de corriente de cortocircuito por los conductores de la malla durante una eventual falla local ó remota, el calibre de éstos debe ser el adecuado para soportarla mientras se despeja, sin que se produzca una elevación de la temperatura a niveles destructivos. De la fórmula que evalúa la capacidad de corriente para un determinado conductor planteada por Jiri Sverak en la norma IEEE STD 80-2000, es posible despejar el área mínima requerida del conductor que soporta la corriente máxima de falla sin que exceda la temperatura permisible, a la cual se conservan las características del material: Para calcular el conductor de la malla se aplica la siguiente fórmula: Amm2= I*Kf*Raiz(t)/1,9737: Donde: Amm2=

Sección del conductor en mm2

I=

Corriente máxima de falla en KA.

Tm=

Temperatura de fusión del conductor

t=

Tiempo máximo de despeje de la falla

Kf=

Constante de la tabla No 24 del RETIE e igual a 7

La mayor parte de las fallas de un sistema de potencia moderno son aclaradas entre 30 ms y 200 ms, dependiendo del tiempo de operación del interruptor o fusible utilizado, así como de la coordinación establecida previamente para la operación de las protecciones. Con el propósito de ser conservativos para la verificación de las tensiones de toque y de paso al interior de la malla, se asumió un tiempo de despeje igual a 500 ms, tal como lo recomienda la norma IEEE Std. 80 -2000“IEEE Guide for Safety in A.C. Substation Grounding”. Se asumió como criterio de diseño para el conductor de la malla un tiempo de aclaración de la falla de 500 ms. El material seleccionado para el conductor es cobre, cuyas constantes y coeficientes característicos se obtuvieron de los catálogos del fabricante. La sección del conductor para la malla del sistema de puesta a tierra se calculó para la corriente de cortocircuito monofásica de 4,67 KA (Estudio de expansión IEB 2013-2018 Sistema EMSA). Como temperatura ambiente se adoptó 40º.

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Evaluando la aplicación, con las condiciones anteriormente mencionadas, se obtiene que el área mínima requerida para el conductor principal de la malla de tierra es 11,93 mm², lo cual equivale a un conductor 6 AWG. Se seleccionó conductor de cobre No. 500 MCM ( debido a la alta resistividad del terreno y con el fin de cumplir con el valor de resistencia mínimo para este tipo de estructuras) el cual tiene un área de 335,56 mm² y soporta 54,4 kA de cortocircuito a 1 s (Tabla CENTELSA para cable de cobre desnudo), lo cual indica que los cables permiten el paso de la máxima corriente durante el tiempo de duración de la falla (0,5 s), sin sobrepasar la temperatura máxima permitida de 1084ºC (tabla No 24 del RETIE), temperatura que garantiza plenamente la integridad de los conductores y las uniones de la malla de puesta a tierra. Por otro lado la cuadrícula garantiza que los retornos de corriente de falla monofásica al interior de la malla se distribuyan por varios caminos razón por la cual es suficiente utilizar el calibre propuesto. Se adopta entonces el calibre 500 MCM.

3.2.1

DETERMINACION DE LA MAXIMA CORRIENTE POR LA MALLA

De acuerdo con la norma IEEE 80-2000 en su artículo 15, para el cálculo de la máxima corriente que circula por la malla se debe tener en cuenta la corriente de falla asimétrica así: IF=Df*If Donde: IF=Corriente efectiva asimétrica de falla en A. If=Es la corriente simétrica de falla atierra en A. Df=Factor de decremento. Para el sistema en estudio el Df=0,6 If=4.467 A (de acuerdo con el estudio de expansión de la EMSA 2013-2018 – IEB) Entonces IF=0,6 x 4.467 =2.680 A. Hay también un factor que representa la parte de corriente de falla que fluye entre la tierra y la red que rodea la tierra que se denomina Factor divisor de corriente de falla, el cual viene determinado por la ecuación: Sf=Ig/3Io, donde: Sf=Factor Divisor de corriente de falla.

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Ig= Valor de Corriente RMS por la malla en A. Io=Corriente de falla de secuencia cero en A. Ig=3Io x Sf

IF=3 Io

Sf se escoge de la tabla No 10 de la norma IEEE 80-2000, para un tiempo Tf =500 ms. Entonces Ig=1,101 X 2.680= 2.951 A.

3.3

DATOS DE EVALUACION DE LA MALLA

Dadas las características del suelo del corredor de la Línea de entrada a la Subestación Campobonito, se adopto el valor de la resistividad superficial, cuyo valor calculado para cada punto es de: Resistividad aparente del suelo eje de la línea 115 kV = 1.460 Ω- m. (Ver anexo 1 medida de Resistividad). Al tomarse estos valores de corriente de cortocircuito monofásica, calculada y cuyo valor es de 4,67 kA, se garantiza el diseño en cuanto a tensiones de toque y de paso. Para la evaluación de las tensiones de toque y de paso se considera un tiempo de 500 ms para despeje de fallas, teniendo en cuenta el tipo de protecciones a utilizar. El área de la zona donde se construirá el sistema de puesta a tierra de La Línea 115 kV de entrada a la Subestación Campobonito, por torre, es de 33x33 (1.089 m2). Las conexiones se asumen con idéntica temperatura de fusión que el conductor, por tanto se especifican del tipo termo fundente (exotérmicos). En la Tabla No.1, se presentan los datos de entrada necesarios para aplicación del cálculo del sistema de puesta a tierra.

Tabla No. 1 DATOS DE ENTRADA Capacidad térmica por unidad de volumen Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

TCAP (J/(cm3*ºC))

Duración de la corriente

tc (s)

Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

άr (1/ºC)

Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE - 80 - 2000 pr (Ohm*m)

3,42 0,5

0,00381

1,78

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1/άo Tabla 1 IEEE - 80 - 2000 máxima temperatura permisible Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

Ko (ºC)

242

Tm (ºC)

250

Temperatura ambiente

Ta (ºC)

40

Corriente simétrica de falla de secuencia cero

Io (a)

893 0,5

Tiempo de duración de la falla Ts (s) Factor decremental para determinar ig tabla 10 de ieee - 80 - 2000 Df Factor de división de corriente de falla. Se determina considerando el peor tipo de falla y la localización de la misma Sf

1

0,6

1460 6000 1

Resistividad del suelo

P (ohm.m)

Resistividad de la capa superficial

Ps (ohm.m)

Profundidad de la malla Profundidad de referencia de la malla (generalmente 1 m)

H (m) Ho (m)

1

Profundidad de la capa superficial Separación entre conductores paralelos de la malla

Hs (m)

0,2

Diámetro del conductor de malla

D (m)

Radio de las varillas de puesta a tierra

B (m)

Numero de varillas de la malla Longitud de cada varilla de puesta a tierra

Nr

Longitud de la malla en el eje x

Lx (m)

Longitud de la malla en el eje y

Ly (m) K1 K2

Coeficientes que se determinan según tablas de la figura 25 ieee-80 - 2000

4,3 0,02097 0,0079 12

D (m)

2,4 33 33

Lr (m)

1,1 5,7

Tipo de conductor de malla

500

MCM

En la Tabla No.2 se observa que la tensión de paso presente y el valor de la resistencia en la malla durante una eventual falla cumplen con los valores permisibles, estableciéndose así un diseño de la malla de tierra segura para el personal y equipos que se encuentra en la superficie de dicha malla. Barzal Alto Vía Azotea, PBX 661400, Línea Gratis: 9800 918615 Reclamos: 6715764/5/6 Fax: 661 0665 – A.A. 2749 E-mail: [email protected] Villavicencio - Meta

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Tabla No. 2

DATOS DE SALIDA Corriente de falla Corriente máxima de falla que fluye entre la malla y tierra Resistencia de la malla de tierra Elevación de potencial de tierra Tensión de paso tolerable Tensión de toque tolerable

If (A)

2679,0

IG (A)

1607,4

Rg (Ohm) GPR (V)

18,1 29123,0

E paso (V) E toque (V)

Tensión de paso real para la malla

Es (V)

Tensión de toque real para la malla

Em (V)

7104,3 1942,6 2915,8 2892,0

RESULTADO GPR