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Comprender la norma IEEE 80 y su importancia en la subestación

IEEE Standard 80-2013, titulada "Guide for Safety in AC Substation Grounding", se ocupa principalmente de subestaciones de AC al aire libre, ya sean convencionales o aisladas por gas, incluyendo distribución, transmisión y subestaciones de plantas generadoras. Este estándar integral proporciona directrices esenciales para diseñar sistemas de tierra seguros y eficaces que protejan al personal de los riesgos de choque eléctrico durante las condiciones de falla.

Calculando impedancia según IEEE Standard 80 es un componente crítico del diseño de subestación. La norma proporciona directrices para calcular los parámetros de red de tierra segura en subestaciones de alta tensión, asegurando la protección del personal controlando voltajes táctiles y pasos al minimizar las impedancias de la corriente de falla. Entendimiento y aplicación adecuada de estos cálculos puede significar la diferencia entre una instalación segura y una que plantea graves riesgos para el personal y el equipo.

IEEE Std 80 se basa en los criterios de seguridad de las posibilidades aceptables de tacto y paso. Este enfoque reconoce que una baja resistencia a la subestación no es, en sí misma, una garantía de seguridad, y no hay una relación simple entre la resistencia del sistema terrestre en su conjunto y la corriente máxima de choque a la que una persona puede estar expuesta. Este principio fundamental subraya por qué los cálculos de impedancia adecuados son esenciales en lugar de apuntar al valor de resistencia más bajo posible.

Conceptos fundamentales: Impedancia, resistencia y reacción en sistemas de tierra

Antes de sumergirse en los procedimientos de cálculo, es esencial entender los conceptos eléctricos fundamentales que rigen los sistemas de subestación. La impedancia representa la oposición total al flujo actual en un circuito de AC y consta de dos componentes principales: resistencia y reacción.

Resistencia a la tierra

La resistencia a la tierra es el componente resistivo de la impedancia y representa la oposición al flujo actual a través de la tierra y conductores de tierra. La ecuación se basa en la Guía IEEE para la Seguridad en la Subestación AC (IEEE Std 80-2013), sección 14.2, ecuación 57, y combina esencialmente las propiedades resistivas de una placa de metal, conductores y la profundidad en la que se encuentra sepultada.

La resistencia a la red es la resistencia equivalente a la red de tierra remota, considerando la resistencia al suelo y la geometría de la red. Este parámetro está influenciado por varios factores, incluyendo la longitud total de los conductores enterrados, el área cubierta por la red terrestre, la profundidad del entierro, y lo más importante, la resistencia al suelo en el sitio de instalación.

Reacción terrestre

El componente de reacción representa efectos inductivos y capacitivos dentro del sistema de tierra. La impedancia de grandes rejillas (más de 40.000 m2) sepultadas en tierra de baja resistencia (menos de 75 Ω-m) sin espacios extendidos conectados puede ser mayor que la resistencia estimada, o cuando los conductores de tierra extendidos están conectados a la red, la impedancia del sistema de tierra será menor que la resistencia a la red estimada.

La reacción inductiva se vuelve particularmente significativa en sistemas de tierra más grandes y en frecuencias más altas. Durante las condiciones de falla, la frecuencia de la corriente de falla (normalmente 50 o 60 Hz) interactúa con la inductancia de los conductores de la red terrestre para producir un componente reactiva que debe ser considerado en el cálculo total de la impedancia.

Total de impedancia

La impedancia total combina componentes de resistencia y reacción y se expresa normalmente como un número complejo. La magnitud de esta impedancia representa la oposición general al flujo actual durante las condiciones de falla, mientras que el ángulo de fase indica la relación entre los componentes resistivos y reactivos. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas de subestación, el componente resistivo domina, pero el componente reactiva no puede ser ignorado en cálculos precisos.

Colección de datos preliminares esenciales

Los cálculos precisos de impedancia dependen en gran medida de la calidad y la integridad de los datos de entrada. En la primera etapa, los detalles del proyecto son esenciales, y el plan general de ubicación de la subestación debe proporcionar buenas estimaciones de la zona que debe cubrir la red terrestre. Las secciones siguientes detallan los datos críticos que deben reunir antes de comenzar los cálculos.

Mediciones de la resistencia al suelo

La resistencia al suelo es, arguiblemente, el parámetro más crítico que afecta el rendimiento del sistema de tierra. Se requieren múltiples visitas al sitio de subestación para realizar las mediciones de resistencia al suelo, y una serie de mediciones deben establecerse utilizando el método de cuatro horcas. Este método, también conocido como el método Wenner de cuatro puntos, implica la conducción de cuatro electrodos igualmente espaciados en el suelo y la medición de la resistencia entre ellos.

La resistencia al suelo es un parámetro crítico medido con los métodos Wenner o Schlumberger. Las mediciones deben tomarse en varias profundidades y ubicaciones en el sitio de subestación para tener en cuenta la estratificación y las variaciones del suelo. Muchos software comercialmente disponible utilizan el modelo de suelo de capas múltiples, mientras que el modelo de suelo de capa única asume una resistencia al suelo generalmente uniforme y homogénea y se calcula utilizando la media aritmética de resistencia al suelo medido.

La resistencia al suelo puede variar drásticamente dependiendo de la composición del suelo, el contenido de humedad, la temperatura y la presencia de sales disueltas. Los valores pueden variar de menos de 10 Ω-m para suelo orgánico húmedo a más de 10.000 Ω-m para terreno rocoso seco. Estas variaciones impactan significativamente el diseño y el rendimiento del sistema de tierra.

Geometría de la alambrada y diseño

La información detallada sobre la configuración de la red terrestre es esencial para cálculos precisos. Esto incluye el área total cubierta por la red, el espaciado entre conductores, la longitud total de los conductores enterrados, la profundidad de enterramiento, y el diámetro del conductor y el material. El área del sistema de tierra es el factor geométrico más importante para determinar las resistencias de la red.

El diseño de la red consiste típicamente en un bucle de conductor perímetro con conectores cruzados que forman un patrón de malla. Según IEEE Std 80, este diseño debe incluir un bucle de conductor que rodea toda la zona terrestre, además de adecuados conductores cruzados. El espaciado de malla afecta tanto a la resistencia como a los gradientes de tensión en la superficie, con un espaciamiento más cercano generalmente proporcionando mejor rendimiento pero a mayores costos de material.

Datos de la corriente predeterminada

Comprender la máxima corriente de fallas es crucial tanto para cálculos de seguridad como para el tamaño de conductores. Esto incluye determinar la magnitud de la máxima corriente de fallas terrestres, la duración de la falla (normalmente basada en tiempos de compensación de relés protectores), y el factor de división actual que explica cómo la corriente de falla se divide entre el sistema de tierra y otras vías de retorno.

La ecuación para calcular el factor de división de IEEE 80, Sección 15.9 es: Sf = TENZEq/(Zeq+Rg) permanente, donde Sf es el factor de división actual de fallas, Zeq es la impedancia equivalente de la transmisión de Utilidad y/o el suelo de distribución, y Rg es la resistencia de subestación en Ω. Este factor de división es esencial para determinar cuánto del sistema de falla total fluye en realidad a través del sistema de tierra.

Detalles de configuración del sistema

La información adicional del sistema incluye los niveles de tensión presentes en la subestación, configuraciones de transformadores y impedancias, la presencia y características de los alambres de sobremesa, y detalles sobre cualquier conductor de tierra extendido como neutros enterrados o escudos de cable. La mayoría de las subestaciones suelen tener líneas entrantes (o salientes) con alambres de escudo instalados, y sería apropiado que el ingeniero de diseño investigara las propiedades de estos alambres de escudos y cómo podrían afectar la división actual.

Cálculo de resistencia terrestre paso a paso

El cálculo de la resistencia a la tierra forma la base de la determinación de la impedancia. IEEE Standard 80 ofrece varios métodos para calcular la resistencia a la tierra, siendo el más utilizado más comúnmente la ecuación Schwarz simplificada para sistemas combinados de cuadrícula y bastón.

Fórmula de resistencia a la presión básica

La ecuación se basa en IEEE Std 80-2013, sección 14.2, ecuación 57: Rs = ρ[(1/LT) + (1/√(20A)))(1 + 1/(1 + h√(20/A))))], donde A es el área ocupada por la red terrestre en m2. En esta fórmula:

  • Rs es la resistencia a la tierra en ohms (Ω)
  • ρ (rho) es la resistencia al suelo en ohm-meters (Ω-m)
  • LT] es la longitud total de los conductores enterrados en metros (m)
  • A es el área ocupada por la red terrestre en metros cuadrados (m2)
  • h] es la profundidad de enterramiento de los conductores de la red en metros (m)

Esta ecuación modela eficazmente la red terrestre como una combinación de una red horizontal de conductor enterrado y una placa metálica equivalente. Esta ecuación muestra que un área mayor y mayor longitud total del conductor de tierra utilizado resultaría en una resistencia a la red terrestre inferior.

Calculando la longitud total del conductor

La longitud total del conductor enterrado (LT) incluye todos los conductores de rejilla horizontales más la longitud de cualquier varilla vertical de tierra. Para una rejilla rectangular con espaciamiento uniforme, el cálculo es sencillo. Por ejemplo, para una rejilla con conductores espaciados a intervalos de 5 m: Número de conductores por lado = 50 / 5 + 1 = 11, Longitud total = 11 × 50 = 1100 m.

Cuando se incluyen varillas de tierra, su contribución efectiva de longitud debe ser agregada a la longitud horizontal del conductor. Sin embargo, la interacción entre la red y las varillas de tierra es compleja y requiere consideración de los efectos de resistencia mutua.

Resistencia a la plancha combinada y a la varilla terrestre

Cuando un sistema de tierra incluye una red horizontal y barras verticales de tierra, la resistencia combinada no es simplemente una combinación paralela. Schwarz utilizó la siguiente ecuación introducida por Sunde y Rüdenberg para combinar la resistencia de la red, varillas y resistencia a tierra mutua para calcular la resistencia total del sistema, Rg.

La fórmula de resistencia combinada es: Rg = (R1 × R2 - Rm2) / (R1 + R2 - 2Rm), donde R1 es la resistencia de la red sola, R2 es la resistencia de todas las barras de tierra juntas, y Rm es la resistencia mutua entre la red y el sistema de varillas de tierra. La resistencia de tierra combinada de la red y la varilla será menor que la resistencia de ambos componentes, pero aún más alta que la combinación.

Esta ecuación puede ser sensible a la precisión del cálculo. La ecuación es bastante sensible a los pequeños cambios en los números, y redondear durante algún paso intermedio puede deshacerse del resultado lo suficiente para ir negativo. Por lo tanto, es esencial mantener suficiente precisión a lo largo del proceso de cálculo y utilizar herramientas computacionales cuando sea posible.

Ejemplo práctico: Cálculo de resistencia a la rejilla

Considere una subestación con una red de tierra de 50m × 50m, espaciamiento de conductores de 5m, profundidad de sepultura de 0,5m, y resistencia al suelo de 100 Ω-m. Primero, calcula la longitud total del conductor. Con 11 conductores por lado (50m ÷ 5m + 1), la longitud total es 11 × 50 × 2 = 1.100 metros.

El área de la red A = 50 × 2500 m2. Utilizando la fórmula de resistencia simplificada: Rs = 100 × [1/1100) + (1/√(20×2500)) × (1 + 1/(1 + 0.5√(20/2500)]. Destrucción de este elemento: 1/√(20×2500) = 1/√50000 = 1/223.6 ♥ 0,90/ profundidad de la corrección

Por lo tanto: Rs = 100 × [0.000909 + 0,00447 × (1 + 0.957)] = 100 × [0.00090909 + 0.00447 × 1.957] = 100 × [0.00090909 + 0.00875] = 100 × 0.00966 Ω. Este valor de resistencia relativamente bajo indica un buen rendimiento de puesta en tierra para esta configuración.

Determinación de componentes de la reacción terrestre

Aunque la resistencia suele dominar en la impedancia del sistema de tierra, el componente reactiva se vuelve significativo en ciertas configuraciones y debe calcularse para una determinación de impedancia completa.

Reacción inductiva de las rejillas de tierra

La reacción inductiva de un sistema de tierra surge de los campos magnéticos creados por las corrientes de falla que fluyen a través de los conductores de la red. La inductancia depende de la geometría del conductor, el espaciado y la frecuencia de la corriente de falla. Para una frecuencia de potencia típica de 60 Hz, la reacción inductiva se puede calcular utilizando la fórmula: XL = 2πfL, donde f es la frecuencia en hertz y L es la inductancia.

La inductancia de una red terrestre es compleja para calcular con precisión y depende de la configuración de la red. Para las rejillas rectangulares existen fórmulas aproximadas que consideran las dimensiones de la red y el espaciamiento del conductor. A medida que aumenta la longitud del conductor enterrado, la impedancia de entrada se acerca a la impedancia característica, y el ángulo de fase de impedancia estará en el rango de 35° a 40°.

Consideraciones de frecuencia

La frecuencia de las corrientes de fallas afecta significativamente al componente reactiva de la impedancia. La mayoría de los cálculos de subestación de tierra asumen frecuencia de potencia (50 o 60 Hz), pero fenómenos transitorios como las huelgas de relámpago implican frecuencias mucho mayores. Para la protección del rayo, la resistencia transitoria y los parámetros de suelo dependientes de frecuencia pueden ser relevantes, requiriendo modelado avanzado.

A la frecuencia de potencia, el efecto de la piel en los conductores es generalmente insignificante para los tamaños típicos de los conductores de tierra. Sin embargo, en frecuencias más altas, la corriente tiende a fluir cerca de la superficie del conductor, reduciendo efectivamente el área transversal del conductor y aumentando su resistencia. Este comportamiento dependiente de frecuencia debe ser considerado para el análisis transitorio, pero generalmente se ignora para los cálculos de frecuencia de potencia estable.

Efectos capacitivos

La reacción capacitiva en los sistemas de tierra es generalmente insignificante en las frecuencias de potencia pero puede ser significativa en frecuencias más altas. La capacitancia existe entre los conductores enterrados y la tierra circundante, formando una capacitancia distribuida a lo largo de los conductores. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas de subestación de tierra a 50/60 Hz, los efectos capacitivos pueden ser ignorados con seguridad.

Combinar resistencia y reacción para calcular la impedancia total

Una vez que se han determinado tanto los componentes resistivos como los reactivos, deben combinarse para obtener la impedancia total del sistema de tierra. Esta combinación sigue los principios del análisis de circuitos AC utilizando matemáticas de números complejos.

Representación de impedancia compleja

La impedancia total Z se expresa como un número complejo: Z = R + jX, donde R es la resistencia, X es la reacción neta (XL - XC), y j es la unidad imaginaria (√-1). Para sistemas de tierra, la reacción capacitiva es típicamente insignificante, por lo que X ♥ XL.

La magnitud de la impedancia se calcula como: TENZ VENDIDO = √(R2 + X2). Esta magnitud representa la oposición total al flujo actual y se utiliza en cálculos de falla y determinaciones de subida potencial de suelo. El ángulo de fase θ es dado por: θ = arctan(X/R), que indica la relación entre los componentes resistivos y reactivas.

Ejemplo de cálculo de la impedancia práctica

Considere un sistema de tierra con una resistencia calculada de 0.97 Ω y una reacción inductiva estimada de 0.15 Ω a 60 Hz. La impedancia total es: Z = 0.97 + j0.15 Ω. La magnitud es: ØZ permanente = √(0.972 + 0,152) = √(0.9409 + 0,0225) = √0.9634 Ω = 0,5 Ω.

Este ejemplo muestra que para sistemas de tierra típicos, la magnitud de impedancia es sólo ligeramente superior al valor de resistencia, y el ángulo de fase es relativamente pequeño. Esto confirma que la resistencia es el componente dominante en la mayoría de las aplicaciones de subestación.

Cuando la reacción se convierte en significativa

Aunque la resistencia domina en la mayoría de los casos, la reacción se vuelve más significativa en ciertas situaciones. Los grandes sistemas de tierra con extensas redes de conductores enterrados pueden tener una inductancia apreciable. Los conductores de tierra extendidos, como los neutras enterrados o los alambres de tierra, pueden contribuir a una reacción inductiva significativa. Transientes de alta frecuencia, como los de huelgas de rayo o operaciones de conmutación, aumentan la importancia de los componentes reactivas.

Criterios de seguridad: Cálculos de tono y de tensión

El propósito final de los cálculos de impedancia en IEEE Standard 80 es asegurar que el sistema de tierra pueda disipar de forma segura las corrientes de falla sin crear gradientes de tensión peligrosa. La siguiente fase consiste en determinar los criterios de tacto y paso, donde el voltaje máximo de conducción de cualquier circuito accidental no debe exceder los límites definidos por IEEE Std 80, y los voltajes de tacto tolerables y paso se determinan según la caracterización del material superficial y la máxima falla esperada.

Entender el voltaje táctil

El voltaje táctil es la diferencia de tensión entre una estructura de tierra y la superficie de tierra que una persona puede tocar durante una falla. Esto ocurre cuando una persona toca simultáneamente una estructura metálica terrestre (como la vivienda de equipo o una cerca) y se para sobre la superficie de tierra. Durante una falla, la estructura de tierra está en el subida potencial de tierra (GPR) del sistema de tierra, mientras que la superficie de tierra a los pies de la persona está en un potencial diferente.

El voltaje máximo permitido depende de varios factores, incluyendo la duración de la corriente de falla, la resistencia del material de capa superficial y el peso corporal de la persona. IEEE Standard 80 proporciona fórmulas para calcular voltajes táctiles tolerables basados en estos parámetros, normalmente implicando un factor de corrección de capa superficial que representa materiales de alta resistencia como roca triturada o asfalto.

Entender el escenario

El voltaje es la diferencia potencial entre dos puntos en la superficie terrestre aproximadamente 0,3 a 1 metro, representando el voltaje que una persona podría experimentar pisando cerca de una falla. Este gradiente de tensión existe porque la corriente de falla fluye a través de la tierra crea una distribución potencial, con los mayores potenciales cerca del punto donde la corriente entra en la tierra y disminuyendo potenciales a mayores distancias.

El voltaje es generalmente menos peligroso que el voltaje táctil porque el camino actual es de pie a pie en lugar de a través del torso. Sin embargo, todavía puede ser letal en ciertas condiciones, especialmente para los animales de cuatro patas que tienen una longitud de estribo mayor. El voltaje máximo permitido es calculado utilizando fórmulas similares a las para el voltaje táctil pero con diferentes factores geométricos.

El rito potencial terrestre (GPR)

El aumento potencial de tierra es el voltaje máximo que el sistema de tierra alcanza en relación con la tierra remota durante una falla. Se calcula como: GPR = Si × Rg, donde Si es la corriente de falla máxima que fluye a través del sistema de tierra y Rg es la resistencia del suelo. Bajo circunstancias inusuales es posible un GPR de 25 kV sin embargo, la mayoría de los valores son menos de 10 kV.

El GPR representa el voltaje peor de los casos que podría aparecer en el sistema de tierra y se utiliza como base para calcular los voltajes de tacto y paso reales en varias ubicaciones dentro y alrededor de la subestación. Una resistencia baja de tierra resulta en un GPR inferior para una corriente de falla dada, por lo que la minimización de la resistencia a tierra es generalmente deseable.

Calculaciones de tensión de malla

El voltaje de malla es el máximo voltaje táctil que puede ocurrir dentro de una malla de la red terrestre. Normalmente se produce en el centro de una malla de esquina donde el gradiente de tensión es más pronunciado. IEEE Standard 80 proporciona fórmulas detalladas para calcular el voltaje de malla que representan geometría de red, espaciado de conductores, profundidad de enterramiento y resistencia al suelo.

La fórmula de voltaje de malla implica factores geométricos que dependen de la configuración de la red. Estos factores se derivan de la teoría del campo electromagnético y han sido validados a través de pruebas extensas y mediciones de campo. El voltaje calculado de malla debe ser inferior al voltaje táctil tolerable para garantizar la seguridad.

Consideraciones avanzadas en cálculos de impedancia

Más allá de los procedimientos básicos de cálculo, varios factores avanzados pueden afectar significativamente la exactitud y aplicabilidad de los cálculos de impedancia para los sistemas de subestación de suelo.

Modelos de suelo multi- capa

La estratificación del suelo implica capas geológicas con diferentes resistencias que requieren análisis compuestos. El suelo real es raramente uniforme, y la mayoría de los sitios exhiben estructuras de suelos estratos con diferentes resistencias a diferentes profundidades. Se sugieren diferentes métodos con la ayuda de IEEE 80 para estimar la resistencia aparente del suelo de tres capas en las que se construye un sistema de tierra con varillas.

Los modelos de suelo de dos capas se utilizan comúnmente, consistentes en una capa superior con resistividad ρ1 y espesor h1, y una capa inferior con resistividad ρ2 extendiéndose a profundidad infinita. El factor de reflexión K = (ρ2 - ρ1)/(ρ2 + ρ1) caracteriza la interfaz entre capas. El efecto del factor de reflexión en la malla y las voltajes de paso, la resistencia al sistema de tierra y el voltaje se investiga.

Para estructuras de suelo más complejas, pueden ser necesarios modelos de tres capas o de varias capas, que requieren técnicas de análisis más sofisticadas y normalmente requieren el uso de software informático especializado. La resistencia aparente del suelo utilizada en cálculos debe determinarse cuidadosamente sobre la base del modelo del suelo y las dimensiones del sistema de tierra.

Variaciones estacionales y efectos ambientales

La humedad y la temperatura son cambios estacionales que afectan la resistencia al suelo y potencialmente alteran el rendimiento de la red. La resistencia al suelo puede variar significativamente con el contenido de humedad, la temperatura y las condiciones estacionales. El suelo congelado tiene una resistencia mucho mayor que el suelo sin voladizo, y el suelo seco es más resistente que el suelo húmedo.

Estas variaciones significan que el rendimiento del sistema de tierra puede cambiar durante todo el año. Las prácticas de diseño conservativos suelen utilizar la resistencia al suelo más alta esperada (correspondiendo a las condiciones más secas o frías) para garantizar un rendimiento adecuado en los escenarios más graves. Algunas instalaciones incluyen disposiciones para el tratamiento del suelo o la retención de humedad para estabilizar la resistencia al suelo.

División actual y Factor de división

En la mayoría de las instalaciones de subestación, no todos los flujos de corriente de falla a través del sistema de tierra local. Una cantidad proporcional de la corriente fluirá de nuevo a la fuente y una porción a través de cada campo de transmisión o distribución. El factor de división representa esta división actual y afecta significativamente la corriente actual que el sistema de tierra debe manejar.

Zeq se obtiene de la Tabla C.1 de IEEE 80, y es la impedancia vista por el paso actual a través del cable de protección superior y a través del suelo de transmisión o distribución. La determinación precisa del factor de división requiere información detallada sobre la configuración del sistema de utilidad, incluyendo el número y características de las líneas de transmisión, los alambres de escudos superiores y los neutrales de distribución conectados a la subestación.

Efecto de materiales de capa superficial

Normalmente, una capa superficial protectora de alta resistencia (por ejemplo, grava) se utiliza para minimizar el paso actual a través del cuerpo humano, proporcionando seguridad a los individuos dentro de la subestación. El material de capa superficial tiene un efecto profundo en el tacto tolerable y las voltajes de paso. Asphalt tiene una resistencia muy alta (aproximadamente 10.000 ohmios cuando está mojado) que aumentaría considerablemente el paso permitido y tocar voltaje.

Los materiales de superficie comunes incluyen roca triturada, grava, asfalto y hormigón. Cada uno tiene diferentes características de resistencia que afectan la corriente que puede fluir a través de los pies de una persona durante una falla. IEEE Standard 80 proporciona factores de corrección para diversos materiales de superficie que se aplican a las fórmulas básicas de tacto y tensión paso. El espesor de la capa superficial también es importante, con instalaciones típicas utilizando capas de 75 a 150 mm de espesor.

Corrosión y rendimiento a largo plazo

La corrosión electrolítica es la degradación a largo plazo del sistema de tierra, afectan tanto la conductividad como la integridad mecánica. Los conductores de tierra enterrados en suelo están sujetos a corrosión con el tiempo, lo que puede aumentar la resistencia y potencialmente conducir a fallas mecánicas. La tasa de corrosión depende de la química del suelo, el contenido de humedad, pH y la presencia de corrientes perdidas.

Los conductores de cobre generalmente tienen buena resistencia a la corrosión en la mayoría de los suelos, pero la corrosión galvánica puede ocurrir en conexiones entre metales disimilares. Algunas instalaciones utilizan conductores de cobre estañados o aplican recubrimientos protectores para aumentar la resistencia a la corrosión. Algunos códigos requieren que los alambres estañados se utilicen donde la resistencia del suelo es menor a 70 Ω/m.

Cuchillo de Conductor y Selección de Materiales

Se incluyen varios factores en el tamaño de conductores como las propiedades térmicas materiales, la capacidad actual y la impedancia, así como la caracterización del suelo. El tamaño adecuado del conductor asegura que el sistema de tierra pueda llevar corrientes de falla sin sobrecalentamiento o falla mecánica.

Consideraciones térmicas

La principal preocupación en el tamaño de conductores es asegurar que el conductor pueda soportar los efectos térmicos de la corriente de falla sin derretir o sufrir daños. IEEE Standard 80 proporciona fórmulas para calcular el área de sección transversal mínimo de conductor basado en la magnitud y duración de la corriente de falla. La fórmula representa las propiedades materiales del conductor, incluyendo su temperatura de fusión, capacidad térmica y resistencia.

Para conductores de cobre, el cálculo considera la temperatura inicial (normalmente temperatura ambiente), la temperatura máxima permitida (normalmente bien por debajo del punto de fusión para prevenir el aislante), y las propiedades térmicas del cobre. La duración de la falla es crítica porque las duración de la falla más larga requieren conductores mayores para disipar el calor generado.

Requisitos mecánicos de fuerza

Más allá de la capacidad térmica, los conductores de tierra deben tener una fuerza mecánica adecuada para soportar las tensiones de instalación y permanecer intactos durante la instalación. El tamaño de la anchura de 35 mm2 (2 GTE) o más grande debe ser varado. Los conductores desfilados proporcionan una mayor flexibilidad durante la instalación y una mayor resistencia a la vibración y al estrés mecánico.

El tamaño mínimo de conductor es a menudo dictado por consideraciones mecánicas en lugar de requisitos eléctricos. Muchas normas especifican los tamaños mínimos de conductores (como 2/0 GTE para conductores de red principales) para garantizar una fuerza y longevidad mecánica adecuada. Las curvas de afilado deben evitarse en todos los conductores de tierra para evitar concentraciones de estrés que puedan conducir a fallas mecánicas.

Selección de materiales

El cobre es el material más común para conductores de subestación por su excelente conductividad eléctrica, buena resistencia a la corrosión y facilidad de instalación. El acero de cobre-clad proporciona una alternativa rentable con buena resistencia mecánica, aunque con mayor resistencia que el cobre sólido. Los conductores de aluminio son utilizados a veces pero requieren consideraciones especiales para conexiones y protección de la corrosión.

La elección de material afecta tanto al rendimiento eléctrico como a la fiabilidad a largo plazo del sistema de tierra. Los costos materiales, la disponibilidad local, las prácticas de instalación y las condiciones ambientales, todo factor en la decisión de selección. Para aplicaciones críticas, los conductores de cobre sólido son generalmente preferidos a pesar de su mayor costo.

Herramientas de modelado y simulación de computadora

Los cálculos de potencial táctil y paso pueden ser una tarea bastante tediosa y laboriosa, y IEEE Std 80 recomienda el uso de software informático para calcular las resistencias a la red, y las voltajes de malla y paso, y también para crear posibles visualizaciones de gradiente del sitio.

Beneficios del diseño asistido por computadora

El software moderno de ordenador puede manejar los cálculos complejos requeridos por IEEE Standard 80 mucho más eficiente que los métodos manuales. Los paquetes de software informático pueden utilizarse para ayudar en el diseño de la red de tierra mediante el modelado y la simulación de diferentes configuraciones de la red de tierra, y las herramientas vienen como paquetes independientes o módulos de plug-in al software de análisis del sistema de energía (como la Evaluación de diseño de la red terrestre de PTW o ETAP).

Estas herramientas ofrecen varias ventajas, incluyendo la capacidad de modelar geometrías complejas de la red, el cálculo automático de todos los parámetros relevantes, la visualización de gradientes de tensión y distribuciones actuales, la optimización del diseño de la red para cumplir con los criterios de seguridad al mínimo costo, y el análisis de sensibilidad para entender los efectos de las variaciones del parámetro.

Soluciones de software disponibles

Ejemplos de paquetes independientes incluyen SES Autogrid y SafeGrid. Estos programas especializados están diseñados específicamente para el análisis del sistema de tierra e incluyen generalmente extensas bibliotecas de modelos de suelo, tipos de conductores y configuraciones estándar. Pueden realizar análisis detallados de elementos finitos para modelar con precisión los gradientes de distribución actual y tensión.

Los paquetes de análisis integrados del sistema de energía suelen incluir módulos de puesta en marcha que se interconectan con el análisis de cortocircuito y otros estudios del sistema. Esta integración permite una gestión coherente de datos y garantiza que los cálculos de base utilicen los mismos valores de falla que otros estudios de protección.

Validación y verificación

Aunque las herramientas informáticas son potentes, deben ser utilizadas con comprensión y sus resultados deben ser validados. Los ingenieros deben verificar que los datos de entrada son correctos y completos, comprobar que los resultados son razonables y coherentes con los cálculos de mano para casos simplificados, entender las limitaciones y los supuestos del software, y validar diseños críticos con mediciones de campo cuando sea posible.

Los modelos de ordenador son tan buenos como sus datos de entrada. La basura se aplica plenamente al análisis del sistema de tierra. Cuidado con las mediciones de resistividad del suelo, datos de geometría de cuadrícula exacta y valores de falla realistas son esenciales para obtener resultados significativos.

Medición y Prueba de Sistemas Instalados

Después de instalar un sistema de tierra, se deben realizar mediciones para verificar que cumple con las especificaciones de diseño y los requisitos de seguridad. IEEE Standard 81 proporciona una orientación detallada sobre técnicas de medición para sistemas de tierra.

Método de caída de poder

El método de caída de potencia es la técnica más común para medir la resistencia a tierra. Con los electrodos actuales y potenciales en tierra remota, y asumiendo que las mediciones no están influenciadas por el acoplamiento mutuo u otra interferencia, se puede encontrar la impedancia de la tierra. Este método implica la inyección de corriente en el sistema de tierra a través de un electrodo de corriente remota y la medición del voltaje a varias distancias utilizando una sonda potencial.

La medición requiere una colocación cuidadosa de electrodos de prueba para asegurar que están en la parte "flat" del perfil potencial donde la medición es relativamente insensible a la posición de sonda. Para los sistemas de tierra grandes, el espaciamiento de electrodos requerido puede ser sustancial, a veces requiere de pistas de prueba varios kilómetros de largo.

Retos de medición y fuentes de error

Los errores de impedancia mutua resultantes de la orientación paralela de los conductores de prueba pueden ser aproximados por la fórmula de Carson para los conductores infinitos, sin embargo, la precisión dependerá de la longitud del espaciado paralelo de conductores, la frecuencia y la aproximación de resistencia a la tierra. Varios factores pueden introducir errores en mediciones de resistencia a la tierra, incluyendo el acoplamiento mutuo entre los plomos de prueba, interferencia de líneas de potencia cercanas, variaciones estacionales en la resistencia al espaciamiento y la resistencia inadecuada.

Mediciones de toque y paso del voltaje

Además de las mediciones de resistencia, se pueden medir voltajes táctiles y pasos reales durante las pruebas de fallas escalonadas. Estas mediciones proporcionan verificación directa de que el sistema de tierra cumple con los criterios de seguridad en condiciones realistas. Sin embargo, las pruebas de falla escenificadas requieren cuidadosas precauciones de planificación y seguridad, ya que implican crear condiciones de falla intencionalmente en la subestación.

Las mediciones se realizan normalmente utilizando equipos especializados que pueden medir de forma segura las altas tensiones mientras protegen al personal. Los resultados se comparan con valores calculados y límites de seguridad para verificar el rendimiento del sistema. Cualquier discrepancia entre los valores medidos y calculados debe ser investigada y puede indicar errores en los datos de resistencia al suelo, geometría de red o hipótesis de cálculo.

Estrategias de optimización de diseño

Las redes de subestación de AC industrial suelen estar diseñadas debido a limitaciones de software informático, dificultades para modelar parámetros de manera realista, y malversación del factor de división, y el diseño excesivo conduce a costos de proyecto más altos debido a los materiales adicionales necesarios, como cobre, varillas de tierra adicionales, y más bienes raíces.

Equilibración de la seguridad y los costos

El objetivo del diseño del sistema de tierra es lograr una seguridad adecuada a un costo razonable, lo que requiere una optimización cuidadosa de varios parámetros de diseño, como el área de red y el espaciamiento de conductores, el tamaño y el material del conductor, el número y la colocación de varillas de tierra, material de capa superficial y espesor, y la utilización de los recursos de tierra existentes.

Las áreas más grandes de tierra dan lugar a una menor resistencia a la red y por lo tanto, menores voltajes de GPR y malla. Sin embargo, la ampliación del área de red aumenta los costos materiales y puede no ser práctica debido a las limitaciones del sitio.

Utilizando la infraestructura existente

El sistema de tierra puede optimizarse utilizando los terrenos disponibles de Ufer como pilas y pisadas. Los electrodos encastrados por hormigón (Ufer grounds) pueden proporcionar un excelente rendimiento de la tierra y deben incorporarse al diseño cuando esté disponible. Los cimientos de construcción, almohadillas de equipo y otras estructuras de hormigón con rebar empotrado pueden contribuir significativamente al sistema de tierra en general.

Es importante que los diseñadores eléctricos y civiles coordinen entre sí para asegurar que se utilice el suelo/relleno adecuado y para rebar de tamaño adecuado en los terrenos de Ufer, como las pisadas y las pilas. Esta coordinación durante la fase de diseño puede dar lugar a importantes ahorros de costos y un mejor rendimiento.

Proceso de diseño iterativo

El procedimiento de diseño se agrupa en cuatro etapas principales, y varias iteraciones se realizan generalmente para lograr los requisitos de seguridad dados por las normativas y reglas estándar. El proceso de diseño típicamente implica comenzar con un diseño preliminar basado en la experiencia y las reglas del pulgar, calculando parámetros de rendimiento incluyendo resistencia, voltajes táctiles y voltajes de paso, comparando los resultados con criterios de seguridad, y modificando el diseño si no se cumplen los criterios.

Este proceso iterativo continúa hasta que se encuentre un diseño que satisfaga todos los requisitos de seguridad a un costo aceptable. Las herramientas informáticas facilitan mucho este proceso permitiendo una rápida evaluación de alternativas de diseño. Análisis de sensibilidad puede identificar qué parámetros tienen el mayor efecto en los esfuerzos de optimización de rendimiento, guía.

Pitfalls comunes y mejores prácticas

La experiencia con numerosos diseños de sistemas de tierra ha identificado errores comunes y ha establecido mejores prácticas que mejoran la fiabilidad y la seguridad.

Cuestiones de calidad de los datos

Los datos de entrada de mala calidad son quizás la fuente más común de errores en cálculos de tierra. Se necesitan datos de campo exactos (por ejemplo, resistencia al suelo) así como rangos aceptables para variables de diseño para el sistema de tierra considerado. Las mediciones de resistencia al suelo deben ser recientes, representativos de las condiciones reales del sitio, y tomadas a profundidades y lugares apropiados.

Utilizar valores genéricos o asumidos de resistividad del suelo sin mediciones específicas del sitio puede llevar a errores significativos. De manera similar, los datos de geometría de la red inexacta o los valores de falla incorrecta producirán resultados inconfiables. El principio de "medida dos veces, cortada una vez" se aplica plenamente al diseño del sistema de tierra.

Criterios de seguridad incomprensibles

Las subestaciones con bajas resistencias no son una indicación de diseño seguro, ni una subestación con una alta resistencia necesariamente una indicación de un diseño inseguro. Una concepción errónea común es que lograr un valor de resistencia específico (como 1 ohm o 5 ohms) asegura automáticamente la seguridad. En realidad, la seguridad depende de la relación entre la corriente de falla, la resistencia a tierra, y el toque resultante y los voltajes.

El enfoque debe ser el cumplimiento de los criterios de tensión táctil y de paso en lugar de alcanzar un objetivo de resistencia arbitrario. En algunos casos, en particular con alta resistencia al suelo, puede ser imposible o poco práctico alcanzar valores de resistencia muy bajos, pero el sistema puede ser seguro si se aplican técnicas de diseño adecuadas.

División actual de descubrimiento

El factor de división debe calcularse sobre la base de la configuración del sistema actual, incluyendo cables de escudos, neutrales de distribución y otras vías de retorno. Suponiendo que toda corriente de falla fluya por el sistema de tierra local cuando existen caminos de retorno significativos resulta en diseños innecesariamente costosos.

Calidad de instalación

Incluso el mejor diseño puede fallar si la calidad de instalación es pobre. La verificación de un sistema de rejilla comienza con inspecciones del plan de distribución de la estación, mostrando todos los equipos y estructuras principales, y el área del sistema de tierra es el factor geométrico más importante para determinar las resistencias de la red. Todas las conexiones deben ser realizadas correctamente utilizando métodos y materiales aprobados, los conductores deben ser enterrados a la profundidad especificada, la rejilla debe cubrir la profundidad prevista, y se debe llevar a la medida.

El control de calidad durante la instalación es esencial. Las inspecciones deben verificar que el sistema as-construido se ajuste a los dibujos de diseño y que todas las conexiones son mecánica y eléctricamente sonoras. La soldadura exotérmica se especifica a menudo para conexiones críticas para garantizar la fiabilidad a largo plazo.

Consideraciones especiales para diferentes tipos de subestación

Aunque IEEE Standard 80 proporciona orientación general aplicable a la mayoría de las subestaciones, diferentes tipos de instalaciones tienen consideraciones únicas que afectan los cálculos de impedancia y el diseño de tierra.

Subestaciones aisladas de gas (SIG)

En el caso de instalaciones aisladas por gas interior, el efecto de las corrientes de recinto circulante puede ser motivo de preocupación. Las instalaciones de GIS tienen recintos metálicos que transportan corrientes de falla y pueden crear desafíos únicos de puesta en tierra. Los recintos deben estar debidamente arraigados y unidos para prevenir voltajes peligrosos, y el sistema de tierra debe tener en cuenta la distribución actual a través de los recintos.

La naturaleza compacta de las instalaciones de GIS a menudo significa rejillas de tierra más pequeñas, lo que puede hacer que la reducción de resistencia sea más difícil. Sin embargo, el área reducida también significa menor contacto y tensión de paso en algunos casos.

Subestaciones de distribución

En subestaciones de distribución más pequeñas, el rango generalmente aceptable es de 1-5Ω, dependiendo de las condiciones locales. Las subestaciones de distribución suelen tener menor falla que las subestaciones de transmisión, lo que puede simplificar los requisitos de puesta en tierra. Sin embargo, también pueden tener más huellas y limitaciones presupuestarias más estrictas.

El diseño de la tierra debe considerar las características específicas de los sistemas de distribución, incluyendo la presencia de neutros de varios terrenos, la conexión al sistema de distribución de utilidades y el potencial de transferencia de tensión a través de las conexiones de clientes.

Generación de subestaciones de estaciones

Las estaciones de generación presentan desafíos únicos debido a las grandes corrientes de falla disponibles de los generadores y los complejos arreglos de equipo. El sistema de tierra debe manejar no sólo las fallas del sistema de transmisión sino también las fallas del generador, que pueden tener características diferentes.

La presencia de grandes máquinas rotativas introduce consideraciones adicionales incluyendo voltajes de eje y corrientes de rodamientos. El sistema de tierra debe diseñarse para minimizar las corrientes circulantes que podrían dañar el equipo mientras que todavía proporciona las rutas de falla adecuadas.

Documentación y registro

La documentación adecuada del diseño e instalación de sistemas de tierra es esencial para el mantenimiento, modificaciones y solución de problemas futuros. Los registros completos deben incluir datos de prueba de resistencia al suelo con ubicaciones y fechas, cálculos y supuestos de diseño, dibujos configurados que muestran los lugares y conexiones reales de conductores, especificaciones materiales e informes de prueba, y resultados de medición de la puesta en marcha de pruebas.

Esta documentación sirve para múltiples propósitos, incluyendo proporcionar una base de referencia para futuras mediciones para detectar la degradación, apoyar modificaciones o expansiones de la subestación, demostrar el cumplimiento de las normas y reglamentos, y facilitar la solución de problemas si se presentan problemas. Los registros digitales con integración del sistema de información geográfica (SIG) son cada vez más comunes y proporcionan herramientas poderosas para gestionar la información del sistema de tierra.

Mantenimiento y pruebas periódicas

Los sistemas de puesta en tierra requieren inspección y pruebas periódicas para garantizar un rendimiento continuo. Con el tiempo, la corrosión puede aumentar la resistencia, las conexiones pueden deteriorarse y las condiciones del suelo pueden cambiar. Un programa de mantenimiento debe incluir inspecciones visuales de conexiones y conductores accesibles, mediciones de resistencia periódicas para detectar cambios, investigación de cualquier anomalía o resultados inesperados, y acción correctiva cuando el rendimiento se degrada por debajo de los niveles aceptables.

La frecuencia de las pruebas depende de la importancia crítica de la instalación, las condiciones ambientales y los requisitos reglamentarios. Muchas empresas realizan mediciones de resistencia a la tierra cada pocos años como parte de los programas de mantenimiento de rutina.

Cumplimiento normativo y normas

Aunque IEEE Standard 80 proporciona una orientación técnica integral, los diseñadores también deben considerar otras normas y reglamentos aplicables. Se han desarrollado normas nacionales e internacionales, así como reglamentos locales para identificar los requisitos del diseño de la red terrestre y definir los parámetros pertinentes.

Los estándares relacionados incluyen IEEE Std 367-1996, IEEE Práctica recomendada para determinar la subestación de energía eléctrica de tierra potencial Rise y voltaje inducido de una falla de potencia, IEEE Std 81-2012, IEEE Guía para medir la resistencia a la tierra, la impedancia terrestre y los potenciales de superficie terrestre de un sistema de tierra, y IEEE Std 142-1991, IEEE Práctica recomendada para el basamiento de sistemas de poder industriales y comerciales.

Los códigos eléctricos locales y los estándares de utilidad pueden imponer requisitos adicionales más allá de los de IEEE Standard 80. Los diseñadores deben estar familiarizados con todos los requisitos aplicables y asegurarse de que los diseños cumplan los criterios más estrictos. En algunos casos, los requisitos regulatorios pueden especificar los tamaños mínimos de conductores, los valores máximos de resistencia o prácticas de instalación específicas que deben ser seguidas.

Tendencias futuras y tecnologías emergentes

El campo de la subestación sigue evolucionando con nuevas tecnologías y una mejor comprensión. Materiales avanzados como hormigón conductivo y relleno mejorado de grafito ofrecen potencial para mejorar el rendimiento en condiciones de suelo difíciles. Estos materiales pueden reducir la resistencia efectiva del suelo alrededor de los conductores y proporcionar un rendimiento más estable a largo plazo.

Las técnicas de medición mejoradas, incluyendo el análisis de dominio de frecuencia y las pruebas de transitoriedad, proporcionan una mejor caracterización del comportamiento del sistema de tierra en diferentes condiciones. Estos métodos pueden revelar efectos dependientes de frecuencia y ayudar a validar los modelos de computadora con mayor precisión.

La integración con tecnologías inteligentes de rejilla permite el monitoreo continuo del rendimiento del sistema de tierra. Los sensores pueden detectar cambios en la resistencia o la aparición de fallas terrestres, proporcionando alerta temprana de posibles problemas. Este enfoque de mantenimiento predictivo puede prevenir fallos y optimizar los horarios de mantenimiento.

Lista práctica de verificación de la aplicación

Para asegurar la implementación exitosa de los cálculos de impedancias estándar IEEE 80 y el diseño de sistemas de tierra, siga esta lista completa de verificación:

Fase de pre-dessignación

  • Realizar una encuesta exhaustiva sobre la resistencia al suelo utilizando métodos de cuatro puntos
  • Tome medidas en múltiples ubicaciones y profundidades
  • Documentos condiciones del suelo y cualquier característica inusual
  • Obtenga una encuesta precisa de sitios que muestre todas las estructuras y el equipo
  • Reunir datos de fallas actuales de estudios del sistema
  • Identificar todos los cables de protección y neutrales de distribución
  • Determinar las normas aplicables y los requisitos reglamentarios

Fase de diseño

  • Desarrollar el diseño preliminar de la red basada en las limitaciones del sitio
  • Calcular resistencia a tierra utilizando fórmulas estándar IEEE 80
  • Determinar la reacción terrestre si es significativa
  • Combina resistencia y reacción para encontrar impedancia total
  • Cálculo del potencial de tierra (GPR)
  • Determinar el contacto tolerable y las tensiones de paso
  • Calcular las tensiones de malla y paso reales
  • Compare voltajes calculados contra límites tolerables
  • Diseño de letras si no se cumplen los criterios de seguridad
  • Conductores de tamaño para requisitos térmicos y mecánicos
  • Especificar materiales y métodos de instalación
  • Preparar dibujos y especificaciones de diseño detallados
  • Verificar diseño utilizando herramientas de simulación de ordenador

Fase de instalación

  • Verificar que los materiales cumplen especificaciones
  • Asegurar la profundidad de entierro adecuada para todos los conductores
  • Uso de métodos de conexión aprobados (prefieren soldaduras extraoficiales)
  • Instalar varillas de tierra a la profundidad especificada
  • Aplicar material de capa superficial al espesor correcto
  • Documento de condiciones construídas con fotografías y mediciones
  • Realizar inspecciones de calidad en etapas críticas

Fase de la Comisión

  • Medir la resistencia a la tierra mediante método de caída de potencia
  • Compare los valores medidos con los cálculos de diseño
  • Investigar cualquier discrepancia significativa
  • Realizar mediciones de tensión táctil y paso si es práctico
  • Documento todos los resultados de la prueba
  • Preparar los dibujos y la documentación final como construidos

Mantenimiento continuo

  • Establecer un calendario de ensayos periódicos
  • Realizar inspecciones visuales de componentes accesibles
  • Medir la resistencia a los suelos a intervalos regulares
  • Mantener registros de todas las mediciones y observaciones
  • Investigar cualquier cambio en el rendimiento
  • Realizar el trabajo correctivo según sea necesario
  • Actualizar la documentación para reflejar cualquier modificación

Conclusión

Calculando impedancia según IEEE Standard 80 es un proceso integral que requiere una atención cuidadosa al detalle, la recopilación de datos precisos y la aplicación adecuada de fórmulas y métodos establecidos.El proceso abarca la comprensión de conceptos fundamentales de resistencia y reacción, la recolección de resistencia precisa del suelo y datos del sistema, la calculación de la resistencia del suelo utilizando fórmulas comprobadas, la determinación de componentes reactivas cuando sea significativa, combinando resistencia y reacción para encontrar impedancia total, verificando que se cumplan los criterios de seguridad táctil y los voltajes.

El conocimiento de IEEE Std. 80 permite al ingeniero proporcionar un sistema de tierra eficaz, seguro y fiable. El estándar proporciona un marco riguroso para asegurar que los sistemas de subestación de tierra puedan disipar de forma segura las corrientes de falla sin crear gradientes de tensión peligrosa que puedan dañar al personal.

El éxito en el diseño del sistema de tierra requiere no sólo competencia matemática sino también juicio de ingeniería, comprensión del comportamiento del suelo, conocimiento de la operación del sistema eléctrico, y atención a las consideraciones de instalación práctica. Las herramientas informáticas facilitan enormemente el proceso de cálculo pero no pueden sustituir la comprensión fundamental de los principios involucrados.

Siguiendo el enfoque sistemático esbozado en IEEE Standard 80 y aplicando los métodos de cálculo descritos en esta guía, los ingenieros pueden diseñar sistemas de tierra que ofrezcan una protección fiable tanto para el personal como para el equipo durante toda la vida de la subestación. La inversión en el diseño adecuado y la instalación paga dividendos en seguridad, fiabilidad y paz mental.

Para información adicional y especificaciones técnicas detalladas, consulte el documento completo IEEE Standard 80-2013 , así como normas relacionadas como IEEE Standard 81 para técnicas de medición y IEEE Standard 367] para cálculos de aumento potencial de suelo.