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

CALCULO MALLA DE PUESTA A TIERRA SUBESTACION CAMPOBONITO 115 KV

REVISIÓN

FECHA

DESCRIPCIÓN

ELABORÓ

A

30/08/2011

Primera revisión

CAO

B

20/09/2011

APROBÓ LA SALIDA AL CLIENTE LES

FIRMAS

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APROBÓ CLIENTE

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CONTENIDO

1

OBJETO ________________________________________________3

2

ALCANCE _______________________________________________3

3

DESARROLLO ___________________________________________4 3.1

MEDICIONES DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO____________4

3.2

VERIFICACIÓN DEL CONDUCTOR DE LA MALLA___________4

3.3

DATOS DE EVALUACIÓN DE LA MALLA __________________7

3.4

RESULTADOS ________________________________________8

4

CONCLUSIONES ________________________________________10

5

REFERENCIAS__________________________________________11

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1

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OBJETO

Presentar a nuestro Cliente Electrificadora del Meta- EMSA E.S.P, de acuerdo con los compromisos adquiridos contractualmente por Lyansa Eléctrica Ltda., la información requerida para el Diseño del Sistema de Puesta a Tierra de “La subestación Campobonito 115 kV”.

2

ALCANCE

En este documento presentamos la metodología seguida por Lyansa Eléctrica Ltda, para calcular y diseñar el sistema de puesta a tierra de la zona donde se construirá la nueva Subestación Campobonito 115 kV. Figura 1. LOCALIZACION LOTE SUBESTACION

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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], Lyansa Eléctrica Ltda. 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 SUBESTACIÓN CAMPOBONITO 115 KV). Para el diseño de la malla de tierra se tomó una resistividad de 1.195 Ω- m. Una vez se construya la malla de puesta a tierra de la subestación debe verificarse que la resistencia de puesta a tierra corresponda a valores permitidos. De no ser así deben instalarse contrapesos.

3.2

VERIFICACIÓN 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:

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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 6,64 KA (Estudio de expansión IEB 2013-2018 Sistema EMSA). Como temperatura ambiente se adoptó 40º. 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 16,17 mm², lo cual equivale a un conductor 6 AWG. Se seleccionó conductor de cobre No. 500 MCM, 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.

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Se adopta entonces el calibre 500 MCM.

3.2.1- Determinación de la máxima 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 asi: 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=6640 A (de acuerdo con el estudio de expansión de la EMSA 2013-2018 – IEB) Entonces IF=0,6 x 6640 =3.984 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. 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 del tabla No 10 de la norma IEEE 80-2000 , para un tiempo Tf =500 ms. Entonces Ig=1,101 X 3.984= 4.386,38

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DATOS DE EVALUACIÓN DE LA MALLA

Dadas las características del suelo de la subestación, se adopto el valor de la resistividad superficial, cuyo valor calculado es de 1.195 Ω-m. Al tomarse estos valores de corriente de cortocircuito monofásica, calculada y cuyo valor es de 6,64 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 La subestación Campobonito 115 kV es de 89X78 metros (6.942 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))

3,42

tc (s)

0,5

άr (1/ºC)

0,00381

pr (Ohm*m)

1,78

1/άo Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

Ko (ºC)

242

Máxima temperatura permisible Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

Tm (ºC)

Temperatura ambiente

Ta (ºC)

Duración de la corriente Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE - 80 - 2000 Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr Tabla 1 IEEE - 80 - 2000

Corriente simétrica de falla de secuencia cero.

Io (A)

Tiempo de duración de la falla

ts (s)

250 40

1.462 0,500

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MEMORIAS DE CALCULO 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

Resistividad del suelo

p (Ohm.m)

1.195

Resistividad de la capa superficial

ps (Ohm.m)

4500

Profundidad de la malla

h (m)

1

Profundidad de referencia de la malla (generalmente 1 m)

ho (m)

1

Profundidad de la capa superficial

hs (m)

0,2

Separación entre conductores paralelos de la malla

D (m)

5,9

Diámetro del conductor de malla

d (m)

0,02097

Radio de las varillas de puesta a tierra

b (m)

0,0079

nr

38

Longitud de cada varilla de puesta a tierra

Lr (m)

2,4

Longitud de la malla en el eje x

Lx (m)

89

Longitud de la malla en el eje y

Ly (m)

78

k1

1,1

k2

5,7

Numero de varillas de la malla

Coeficientes que se determinan según Tablas de la figura 25 IEEE-80 - 2000

3.4

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RESULTADOS

En la Tabla No.2 se observa que las tensiones de toque y de paso presente en las malla durante una eventual falla no superan las tensiones 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.

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Tabla No. 2

DATOS DE SALIDA

Corriente de falla

If (A)

4.386,0

corriente máxima de falla que fluye entre la malla y tierra

IG (A)

2631,6

Resistencia de la malla de tierra

Rg (Ohm)

Elevación de potencial de tierra

GPR (V)

Tensión de paso tolerable

E paso (V)

5408,2

Tensión de toque tolerable

E toque (V)

1518,6

Tensión de paso real para la malla

Es (V)

1191,4

Tensión de toque real para la malla

Em (V)

1.516,7

5,7

15083,7

RESULTADO GPR