argencon_SPT

7/24/2019 argencon_SPT

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Paper 230 1

Resumen En este trabajo se analiza la metodologa utilizada

usualmente en el diseo de Sistemas de Puesta a Tierra (SPT),

frente a solicitaciones impulsivas lentas y rpidas. Se identifican

aquellos parmetros de relevancia que intervienen en el

comportamiento del SPT frente a estas solicitaciones y se discutesi los valores de estos parmetros son significativos en los valores

nominales de las magnitudes que se utilizan para el diseotradicional de un SPT.

Palabras Claves Sistemas de Puesta a Tierra, sobretensiones,

descargas atmosfricas, rgimen transitorio.

Abstract This paper discusses the methodology used in the

desing of Grounding Systems (GS) with slow and fast impulses.

We identify the more important parameters related to the

behavior of the GS for these types of impulses. We discussed if the

values of these parameters are significant in the magnitudes

values considered for the traditional design of a GS.

Keywords Grounding Systems, overvoltage, atmospheric

discharge, transient regime.

I. INTRODUCCIN

n sistema elctrico de potencia est conformado porelementos que almacenan, intercambian o disipan

energa, como condensadores, resistencias e inductancias. Enrgimen permanente la energa almacenada en las inductanciasy capacitancias de un circuito de corriente continua esconstante, mientras que en un circuito de corriente alterna esaenerga es transferida cclicamente entre inductancias y

capacitancias, a la vez que se disipa por aquellos elementosresistivos presentes en el circuito.

Cada vez que se presenta un cambio en el sistema, debido auna variacin de la carga del mismo, una descarga atmosfrica,una maniobra de un interruptor, etc., hay una redistribucin deenerga en el sistema hasta llegar a un estado nuevo de

F. Ybanez, Universidad Nacional de Crdoba, Crdoba, Argentina,[email protected]

G. R. Molina, Universidad Nacional de Crdoba, Crdoba, Argentina,[email protected]

M. Piumetto, Universidad Nacional de Crdoba, Crdoba, Argentina,[email protected]

G. Carvajal, Universidad Nacional de Crdoba, Crdoba, Argentina,

[email protected]

equilibrio. Esta redistribucin de energa no es instantnea,debido a la naturaleza de los elementos que componen la red,los cuales no responden instantneamente. Dicharedistribucin de la energa forma parte de los denominadosfenmenos transitorios electromagnticos.

Los sistemas elctricos presentan una conexin de puesta atierra por medio de cierta estructura metlica enterrada en elsuelo, para cumplir con los siguientes objetivos:

- Asegurar una correcta operacin de los equipos elctricos.- Proveer seguridad a equipos y personas en condiciones

normales o de falla.

- Estabilizar el voltaje durante condiciones transitorias y asminimizar la probabilidad de arco voltaico.

- Conducir y disipar las corrientes de falla con suficientecapacidad.

- Eliminar ruidos elctricos y servir de referencia al sistema

elctrico.- Fijar el nivel de sobretensin admisible y de este mododeterminar la caracterstica de las protecciones y sucomportamiento.

- Definir el rgimen de puesta a tierra para el sistemaelctrico del pas regin y as los niveles de corriente decortocircuito y sobretensin admisibles.En general, se dice que una estructura est puesta a tierra, si

est elctricamente conectada a un conjunto metlicosepultado en la tierra. Al considerar a la estructura y a lapuesta a tierra, obtenemos el Sistema de Puesta a Tierra enadelante SPT, el cual provee un camino conductor de la

corriente elctrica hacia el suelo. Los SPT tpicos utilizadosconsisten en mallas conductoras, varillas o electrodos y otrasestructuras metlicas de mltiples disposiciones geomtricas.

El propsito del SPT es proveer un contacto elctrico debaja impedancia entre el neutro de un sistema elctrico y latierra, adems de la equipotencialidad del edificio, tal como seexpresa en [1]. Idealmente, el potencial del neutro en unsistema trifsico debe ser igual al de la tierra (impedancianula). Sin embargo, la impedancia de un SPT con respecto atierra remota es siempre un valor finito. Por lo que el potencialelctrico de las estructuras enterradas puede ser diferente alpotencial de varios puntos en la tierra durante una operacinanormal, es decir en condiciones de operacin altamentedesbalanceadas o condiciones de falla.

Algunas Consideraciones Sobre el

Comportamiento de Sistemas de Puesta a Tierrafrente a Solicitaciones Impulsivas

F. Ybaez,Member IEEE,G. R. Molina, M. Piumetto,Member IEEEand G. Carvajal

U


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Paper 230 2

A los fines de dimensionar y disear un SPT, como porejemplo un centro de transformacin, se requieren datos quepor lo general son suministrados por la Distribuidora deEnerga Elctrica y otros que se obtienen por medicin [1]-[5].Estos datos estn relacionados: con la magnitud y tipo de

corriente elctrica que se inyectar en el SPT, con losparmetros elctricos del suelo y con la configuracin deelectrodos o geometra metlica utilizada. Adems de ello, seasumen ciertas condiciones ideales como lo son: el suelo endonde se instala el SPT es homogneo y semi infinito, no seconsideran el rango de frecuencias de las descargas elctricasy el SPT no presenta degradacin frente a las solicitaciones ycondiciones ambientales. En la prctica estas asunciones distannotablemente, ya que en muchos casos las instalaciones serealizan en espacios donde el suelo presenta una importanteheterogeneidad, como es el caso de los centros urbanosdensamente poblados. Adems de ello, las caractersticas del

suelo varan con el tiempo, como por ejemplo el contenido dehumedad, presentando as una resistividad diferente a la delsuelo natural que se consider para el clculo.

Existen numerosos trabajos de investigacin, como porejemplo los trabajos [6]-[9], destinados a entender elcomportamiento del SPT en aquellos escenarios que sepresentan en la prctica. Dichas investigaciones buscandeterminar la funcin de transferencia del SPT, para asestudiar con mayor aproximacin las situaciones reales delfenmeno. Las diferentes metodologas utilizadas pueden ser:modelos circuitales de parmetros concentrados, aplicacin deredes neuronales, modelacin numrica de SPT encomportamiento transitorio, entre otros.

En este trabajo se analiza el comportamiento de aquellosparmetros que intervienen en el comportamiento de SPTfrente a solicitaciones impulsivas rpidas y lentas. Asimismose busca evidenciar si las variaciones de los valores de estosparmetros, son significativos en los valores nominales que semanejan en el diseo tradicional de un SPT.

II. CARACTERISTICAS DE DISEO DE SPTEN CONDICONESESTACIONARIAS

A los fines de disear un SPT para que el mismo opere bajocondiciones estacionarias, convencionalmente se requieren dedatos, algunos suministrados generalmente por la Distribuidorade Energa Elctrica y otros obtenidos indirectamente pormedicin [1]-[5]. Un resumen de estos datos se presenta de lasiguiente manera:

- A facilitar por la compaa distribuidora: Tensin de alimentacin. Rgimen de Neutro en media tensin o MT (aislado o

bien conectado a tierra a travs de impedancia). En el caso de neutro aislado: Longitud total de las

lneas de MT, expresada en km. En el caso de neutro conectado a tierra a travs de

impedancia: Valor de la impedancia desagregada en

reactanciaXny resistenciaRn,

la intensidad de cortocircuito unipolar fase-tierra,en el origen del alimentador.

Duracin de la falla hasta su eliminacin (valortpico: 1 segundo).

- Dato obtenido por medicin: Resistividad elctrica delsuelo , en m.El primer objetivo de un SPT es proveer un contacto

elctrico de baja impedancia entre el neutro de un sistemaelctrico y la tierra. Es por ello que entre los datos de diseoes necesario conocer la resistividad elctrica del suelo. Estaresistividad vara entre amplios mrgenes segn el tipo desuelo y es mucho ms elevada que la de los metales y elcarbono [10]. En este sentido puede decirse que la tierra es, engeneral, un mal conductor elctrico. Ahora bien, cuando unacorriente circula por el suelo, la seccin de paso Spuede sertan grande, que a pesar de que su resistividad (resistenciaespecfica) sea elevada, la resistenciaR= l/S, puede llegar

a ser despreciable; siendo lla longitud de la muestra de sueloconsiderado, asumiendo que dicha muestra presenta una formade prisma rectangular. El hecho de que el suelo presente unaresistencia R despreciable debido a la gran seccin de paso,permite una buena circulacin de la corriente elctrica a drenarcon el SPT. Esto mismo no se cumple en la interfase puesta atierra suelo, como por ejemplo un electrodo, ya que lasuperficie de contacto est limitada a la configuracingeomtrica y dimensiones del electrodo. En el caso de que lapuesta a tierra se trate de un electrodo, la corriente que circulahacia el suelo, se realiza desde todos los puntos de lasuperficie del mismo en contacto con la tierra, tal como se

esquematiza en la Fig. 1. Con suelos de resistividadhomognea, puede idealizarse este paso suponiendo el sueloconstituido por capas concntricas alrededor del electrodo,todas del mismo espesor L.

El segundo objetivo de un SPT es proveer ciertaequipotencialidad en las zonas aledaas al SPT de manera deresguardar la integridad de las personas. Tal como lo sugiereel esquema de la Fig. 1, entre dos puntos de la superficie delsuelo, habr una diferencia de tensin funcin de la distanciaentre ellos y el electrodo. Esta diferencia de tensin, sedenomina tensin de pasoUp,cuando es aplicada entre los dospies separados de una persona que en aquel momento seencuentre pisando el suelo (ver Fig. 2.). Esta tensin puedellegar a ser peligrosa, por lo cual, en las diferentes normativasse indica el valor mximo admisible, en funcin del tiempo deaplicacin [1]-[5].

Adems de la Up, tambin es posible encontrar ladenominada tensin de contacto Uc (ver Fig. 2.b), comoaquella tensin que puede resultar aplicada entre los dos piesjuntos sobre el suelo, y otro punto del cuerpo humano. Lapeligrosidad de la Uc es superior a la Up, ya que si bien ambaspueden producir circulacin de corriente a travs del cuerpo,la primera, tiene un recorrido por el organismo que puedeafectar rganos vitales. Por tal motivo las Uc mximasadmisibles en funcin del tiempo, son inferiores que las Up,

segn las normativas vigentes [1]-[5].


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Fig. 1. Paso de la corriente a travs de las diferentes capas de suelo. Adaptadode [5]

Fig. 2. Tensin de paso Upy tensin de contacto Uc [5]. Adaptado de [5].

En la Fig. 3 se muestra un diagrama de flujo reducido de lasecuencia de clculo utilizada habitualmente para el diseo deSPT en relacin con las normas vigentes [3], [4]. Tal como seobserva en la figura, la metodologa de clculo culmina en laverificacin de los valores obtenidos de las tensiones Upy Uc.No obstante dicha metodologa no contempla el rango defrecuencias de la solicitacin, o si la solicitacin presenta unrgimen de cierta transitoriedad, por lo que no se puede juzgarel desempeo del SPT frente a estas circunstancias. Respectode las caractersticas del suelo en donde se instala el SPT, slose tiene en cuenta como parmetro al valor de la resistividad

elctrica del suelo , determinada por medicin previa a laconstruccin e instalacin del SPT. Por otro lado no seconsidera la degradacin del SPT frente a las condicionesambientales o las solicitaciones impulsivas que puedandesarrollarse en el SPT en relacin con el tiempo.

III. COMPORTAMIENTO TRANSITORIO DE SPTANTESOLICITACIONES IMPULSIVAS

El diseo de un sistema elctrico esta determinado tanto porlas condiciones transitorias como por las de rgimenestacionario, ya que deben poder soportar las peores

condiciones a las que estarn sometidos.

Caracterizacin del Sistema Elctrico: Tensin nominal de lnea: Un[kV] Potencia de Cortocircuito: Pcc[MVA] Resistencia de lnea: R []

Parmetros dimensionales del SPT: Longitud de conductores transversales: LT[m] Longitud de conductores longitudinales: LL[m] Separacin entre conductores transversales: SCT [m] Separacin entre conductores longitudinales: SCL [m]

Caractersticas de las jabalinas a instalar: Largo de la jabalina: Lj[m] Dimetro de la jabalina: Dj[m] Nmero de jabalinas a instalar: Nj

Inicio - Datos suministrados - Por la compaa distribuidora- Obtenido por medicin

Clculo de: Corriente de cortocircuito monofsica en barras del

alimentador: Iccm[A] Reactancia de puesta a tierra del neutro de la red de

MT: XSPT[] Seccin del conductor de malla: SM[m2]

Longitud de la malla: LM[m] Determinacin de la corriente a drenar a tierra: Id[A]

Definir la profundidad de instalacin del SPT De IRAM 2281 1, FIGURA B4, obtener

resistividad del terreno T[m]

Clculo de: Superficie de la malla: AM[m] Dimetro Equivalente: DE[m] Resistencia de la malla: RM[] Resistencia de las Jabalinas: Rcj[] Resistencia de cada Jabalina: Rj[] Resistencia del SPT: RSPT[]

Clculo de: Tensin de contacto: UC[V] Tensin de paso: UP[V/m]

UC125 VUP125 V/m

FIN

NO

Fig. 3. Diagrama de flujo reducido de la secuencia de clculo utilizada

habitualmente para el diseo de SPT. El valor mximo de 125 V y 125V/mpara Ucy Uprespectivamente, es el estipulado por la Empresa Provincial deEnerga de Crdoba EPEC, para la provincia de Crdoba.

Segn referencia [11] el diseo de un SPT en condicionesestacionarias como es el caso de la metodologa expuesta en laseccin anterior, puede trasladarse para condiciones detransitorios lentos, en donde se involucren solicitacionesimpulsivas de bajas frecuencias (del orden de centenas o pocosmiles de Hz). Esto se cumple si se desprecian los efectoslongitudinales del electrodo o de la estructura metlica delSPT, lo que implica considerar el potencial constante en todala estructura, en la media que los efectos inductivos o de

propagacin de onda electromagntica (atenuacin) seanpocos notorios.


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Los transitorios elctricos, son el resultado de una granvariedad de causas, que tienen una importancia fundamental ala hora del diseo del SPT: especificacin de equiposelctricos y electrnicos, dimensionamiento del aislamiento delneas de transmisin y subestaciones de transformacin y

distancias de seguridad. Existen numerosas investigacionesdestinadas a comprender el comportamiento de SPT frente afenmenos transitorios [6]-[9]. Dichos estudios planteanmodelos de SPT teniendo en cuenta en principio un tipo desolicitacin impulsiva con altos contenidos de frecuencia y laposterior determinacin de la impedancia elctrica del SPTcomo una funcin de transferencia dependiente de lafrecuencia. Esta impedancia depende solo de la geometra delSPT y de las caractersticas electromagnticas del suelo,permitiendo a posterior independizarse del tipo de excitacin osolicitacin del SPT. Las caractersticas electromagnticas delsuelo incumben, los parmetros elctricos del suelo y la

propagacin de la onda electromagntica en el suelo con suconsecuente atenuacin [11]. La Fig. 4 ilustra lo antedicho.Revelando las partes que hacen a la impedancia elctrica del

SPT, se tiene que la misma esta constituida por la impedanciaque representa el cable metal y los dispositivos deconexionado con el sistema elctrico y la impedancia de laestructura metlica de puesta a tierra (como por ej. unelectrodo) [9]. Por otro lado la impedancia de la estructurametlica de puesta a tierra es una funcin de la configuracingeomtrica utilizada, de la resistencia de contacto (funcin dela resistividad elctrica del suelo ) y de una impedanciaelectroqumica (funcin de la permitividad dielctrica relativadel suelo k*).

Tanto y k*, son los principales parmetros delcomportamiento elctrico del suelo frente a los fenmenostransitorios [9].

El parmetro , lejos de ser constante, vara con lafrecuencia, humedad del suelo, substancias disueltas(principalmente sales), densidad, porosidad y temperatura. Enla Fig. 5 se muestra la variacin del parmetro con elcontenido de sales, humedad y temperatura. Como puedeobservarse en la figura, este parmetro disminuye por los tresfactores. Asimismo se observa, que el contenido de sales tieneun papel preponderante en la disminucin de este parmetro.La Fig. 6 muestra la variacin del parmetro con la

frecuencia, para diferentes tipos de suelos con contenido dehumedad del 5%, de las mediciones de [12]. Como puede allobservarse este parmetro disminuye con la frecuencia.Asimismo se observa cierto patrn [13], salvo para el sueloresidual con esta humedad, en donde presenta en las bajasfrecuencias una pendiente mayor de disminucin atribuido alfenmeno de polarizacin en el electrodo de medicinutilizado. Posterior a ello, existe una zona de baja pendiente enrelacin con una conduccin Ohmica desarrollada en el suelo,y finalmente en las altas frecuencias una disminucin abruptapor el fenmeno de relajacin. Este patrn de comportamientoen los suelos se acenta con el contenido de humedad [13].

0 0.5 1 1.5 2 2.5 33

x 10-4

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

tiempo [s]

Corriente

I[kA]

a)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

x 10-5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

tiempo [s]

TensinV[kV]

b)

( )( )

( )

V fZ f

I f=

( )I f

( )V f

TF

TF

TF: Transformada deFourier

Fig. 4. Principio a partir del cual se busca determinar la impedancia elctricadel sueloZ(f). a) Forma de onda normalizada de una descarga atmosfrica de1.2 sde frente y 50 sde cola.El frente es el tiempo para alcanzar su valormximo, mientras que la cola es el tiempo hasta caer a la mitad del valormximo. b) Sobretensin atmosfrica tpica a partir de la impedancia elctricaque la estructura impactada del SPT le ofrece a la descarga. I (f) es el espectrode frecuencias de la onda normalizada y V (f) es el espectro de frecuencias dela onda de sobretensin.

El parmetro complejo k*, en suelos heterogneos se definecomo [14]:

*0

0 0 0 0

* ' "k k j k j

= = = +

(1)

Siendo y la permitividad real e imaginariarespectivamente, 0es la permitividad en el vaco (8.85 10

-12F/m), es la frecuencia angular y 0 es la conductividad afrecuencia cero (CC). Este parmetro vara con la humedad,permitividad de las fases (parte slido y liquida del suelo),

forma y orientacin de las partculas que conforman el suelo yfrecuencia [14]. En el rango de frecuencia del megahertz sepresenta el fenmeno de relajacin de k*(ver Fig. 7) debido ala acumulacin de cargas elctricas en las interfases y bordesde las fases del suelo [15]. Este mecanismo puede ser muyimportante en los suelos finos (limos y arcillas), pero tieneirrelevantes importancia en el agua o en arenas hmedas [16],[17], los suelos secos [18], y los suelos saturadoscontaminados con hidrocarburos [19]. En la Fig. 8 se muestrala variacin de la parte real de k*, para diferentes tipos desuelos con contenido de humedad del 5%, de las medicionesde [12]. En dicha figura se observa la disminucin de la parte

real de k* con la frecuencia, pero con diferentes tendenciassegn el tipo de suelo.


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Fig. 5. Variacin de la resistividad del suelo por diversos factores. Adaptadode [2].

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

Log10f [Hz]

[km]

Suelo arenoso

Suelo residualSuelo arcilloso

Suelo de Avra

Fig. 6. Variacin de la resistividad del suelo con la frecuencia para uncontenido de humedad del 5%. Adaptado de [12].

En [14] se explica que la componente real de k* representala capacidad de polarizacin o capacidad de orientacin de lascargas dipolares en el suelo en presencia de campos elctricos.Por otro lado la componente imaginaria de k* est asociadacon las prdidas elctricas que ocurren durante la polarizaciny las prdidas debidas a la conduccin Ohmica. Por lo que enla parte real de este parmetro, puede evidenciarse la relacincreciente exponencial con el contenido de humedad del suelo[19], [20].

Las caractersticas y variaciones y k*, frente a los factoresmencionados no suceden de manera separada, ya que ambosparmetros estn relacionados a travs de la parte imaginariade k*segn (1), k=/0, en donde la conductividad elctricaes la inversa de la resistividad elctrica.

Como se dijo anteriormente la impedancia elctrica del SPTdepende tambin del tipo de configuracin geomtrica de laestructura metlica de puesta a tierra. En principio todas ellasbuscan proveer un contacto elctrico de baja impedancia conla tierra. Una practica comn para contrarrestar o disiparrpidamente una descarga atmosfrica en un SPT es laprolongacin de la puesta a tierra mediante conductoreshorizontales, conocidos como contrapesos [2], [9].

Log10f [Hz]

PermitividadDielctrica

Relajacin

654 7 8

K

K

Fig. 7. Forma terica del espectro de relajacin del parmetro k*.

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

6.5

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

Log10f [Hz]

Log10K

'

Suelo arenoso

Suelo residualSuelo arcilloso

Suelo de Avra

Fig. 8. Variacin de la parte real de k*, con la frecuencia para un contenido dehumedad del 5%. Adaptado de [12].

0

50

100

150

200

250

Frecuencia [kHz]

MdulodelaImpedanc

ia[]

50

20060010001500

Resistividad [m]

0.06 1.00 50 200 500 700 900 103

Fig. 9. Mdulo de la impedancia elctrica de un contrapeso de 10m enfuncin de la frecuencia, para diferentes resistividades elctricas. Adaptadode [21].

En un rgimen transitorio, se espera que la magnitud de laimpedancia del contrapeso disminuya con la frecuencia comoas tambin con el aumento de la longitud del contrapeso. Sinembargo tal como lo demuestra [21] a travs de sus resultados,el comportamiento de este tipo de configuracin o de otrasmas complejas en los SPT, se apartan de lo esperado. En estecontexto la impedancia elctrica del contrapeso depende de lalongitud del contrapeso y de los parmetros y k*,estableciendo si la respuesta del SPT es dominantementeresistiva, inductiva o capacitiva. En las Fig. 9-12 se muestranalgunos de estos resultados, los cuales evidencian lasvariaciones del comportamiento de contrapesos.


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-20

-10

0

10

20

30

40

50

Frecuencia [kHz]

FasedelaImpedancia[]

5020060010001500

Resistividad [m]

0.06 1.00 50 200 500 700 900 103

Fig. 10. Fase de la impedancia elctrica de un contrapeso de 10m en funcinde la frecuencia, para diferentes resistividades elctricas. Adaptado de [21].

0

200

400

600

8001000

1200

1400

1600

1800

Longitud [m]

MdulodelaIm

pedancia[]

60 Hz

1kHz

1MHz

Frecuencia

1.0 10 20 30 40 50

Fig. 11. Mdulo de la impedancia elctrica de contrapesos de diferentelongitud y diferentes frecuencias, en un suelo de 2000 m de resistividad.Adaptado de [21].

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

Frecuencia [kHz]

FasedelaImpedancia[]

1m 10m

20m 30m40m 50m

Longitud

0.06 5.00 10 150 300 500 800 103

Fig. 12. Fase de la impedancia elctrica de contrapesos de diferente longitud,en funcin de la frecuencia, en un suelo de 2000 m de resistividad.Adaptado de [21].

IV. CONCLUSIONES

En este trabajo se present un anlisis de los parmetros queintervienen en el comportamiento de un Sistema de Puesta aTierra frente a solicitaciones impulsivas rpidas y lentas. Delanlisis de los mismos queda de manifiesto como eldesempeo del SPT puede verse limitado, si no se contemplaen el proceso de clculo y diseo, las variaciones quemanifiestan estos parmetros.

Las direcciones futuras a seguir tendrn como objetivo finalreestructurar la secuencia de clculo tradicional para el diseode SPT, en donde se contemple las variaciones de los

parmetros expuestos; para as brindar condiciones defuncionamiento y seguridad, frente a solicitaciones

estacionarias y transitorias. Asimismo, se investigar sobre ladegradacin del SPT frente a las solicitaciones impulsivas dealta energa; tema que no se trat en este trabajo.

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