proyecto de electrodo de puesta a tierra terrestre -...

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA

PROYECTO DE ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA TERRESTRE PARA SISTEMA HVDC

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

LEOPOLDO ANDRS VALLEJOS HIDALGO

PROFESOR GUA: NELSON OMAR MORALES OSORIO

MIEMBROS DE LA COMISIN: LUIS SANTIAGO VARGAS DIAZ JUAN DAVID RAYO CALDERN

SANTIAGO DE CHILE AGOSTO 2008

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: LEOPOLDO VALLEJOS H. FECHA: 11/09/2008 PROF. GUA: Sr. NELSON MORALES O.

PROYECTO DE ELECTRODO DE PUESTA A TIERRA TERRESTRE PARA

SISTEMA HVDC

Hoy en da, se est evaluando la posibilidad de construir en Chile el primer sistema de

transmisin en corriente continua bipolar con retorno por tierra. Los electrodos de puesta a tierra juegan un importante papel debido a que aumenta la confiabilidad del sistema y poseen menos prdidas Joule que un retorno metlico. Sin embargo, el funcionamiento del electrodo implica una inyeccin de corriente al suelo que produce potenciales que pueden ser perjudiciales para los seres vivientes si es que no son bien diseados, y que adems son capaces de producir interferencias en sistemas elctricos y corrosin acelerada en instalaciones aledaas.

Dado lo anterior, los objetivos de este trabajo de ttulo son: modelar un electrodo terrestre

con forma de anillo en un terreno de dos capas paralelas de distintas resistividades con el fin de calcular el potencial del electrodo, su resistencia, su temperatura y los potenciales de paso en su contorno, calcular los potenciales en la superficie del suelo en las lejanas del electrodo, y mostrar los costos ms importantes en los que se debe incurrir para implementarlos.

La metodologa de trabajo consisti en la bsqueda de bibliografa especializada,

logrando desarrollar con esto un captulo que resume variados aspectos del electrodo tanto tcnicos como del proyecto en s. Luego, se procedi a realizar la programacin en Matlab usando el mtodo de las imgenes para el clculo de las tensiones del suelo, la tensin del electrodo y su resistencia. Finalmente, se elabor una tabla Excel, desarrollada para el clculo de la temperatura del electrodo y de los costos del proyecto.

Los resultados que se obtuvieron con el programa fueron comparados con resultados de

electrodos terrestres con forma de anillo que se obtienen a partir de otros mtodos de modelacin y con resultados que se obtienen a partir de mtodos analticos que simulan electrodos en suelos homogneos. Esta comparacin permiti validar el modelo de clculo. Adems, se incluy un ejemplo de dimensionamiento de electrodos para el caso chileno.

Como conclusin, se logr comprobar que el programa es adecuado para dar una primera

estimacin de si un determinado terreno es apto o no para la instalacin de un electrodo de puesta a tierra terrestre en forma de anillo, para un sistema HVDC bipolar.

Como trabajo futuro se podran realizar mejoras al programa, ya sea optimizando el

algoritmo, o cambiando el mtodo de clculo a mtodos numricos que permitan modelar terrenos ms complejos que slo las dos capas simuladas con el mtodo de las imgenes. Una tarea interesante sera incluir en el algoritmo una optimizacin de la solucin de electrodo, minimizando costos y encontrando el tamao ptimo del electrodo anillo con todas las restricciones de operacin necesarias.

Proyecto de Electrodo de Puesta a Tierra Terrestre para Sistema HVDC

ii

Agradecimientos

Quiero agradecer a las personas que hicieron posible la realizacin de este trabajo, a Jos Miguel por darme las facilidades necesarias para cumplir de buena forma los objetivos, a Nelson por su disposicin y colaboracin y a Juan por guiarme, ayudarme y ser un gran colaborador en este trabajo.

Saludo a mis amigos con quienes compart y me hicieron una agradable estada en la

universidad. En especial a Carlos, Andrs, Javiera, Samuel y todos aquellos elctricos con quienes de seguro nos seguiremos viendo.

Agradezco a mis padres por confiar en mis capacidades y darme lo mejor en mi desarrollo

como persona y profesional, y tambin a mi hermano por hacerme rer en los momentos de tristeza.

Finalmente, le agradezco a Daniela por entregarme todo su amor, confianza y apoyo en

este trabajo y en gran parte de la universidad (te amo).


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ndice de Contenidos

Agradecimientos.............................................................................................................................. ii ndice de Contenidos ...................................................................................................................... iii ndice de Figuras ............................................................................................................................ vi ndice de Tablas............................................................................................................................ viii 1 Introduccin........................................................................................................................... 10

1.1 Motivacin..................................................................................................................... 10 1.2 Objetivos........................................................................................................................ 10 1.3 Objetivos Especficos .................................................................................................... 11 1.4 Alcances ........................................................................................................................ 11 1.5 Hiptesis de Trabajo...................................................................................................... 12 1.6 Contenidos..................................................................................................................... 12

2 Revisin Bibliogrfica........................................................................................................... 13 2.1 Introduccin al HVDC .................................................................................................. 13

2.1.1 Generalidades ........................................................................................................ 13 2.1.2 HVDC versus HVAC ............................................................................................ 15 2.1.3 Configuraciones HVDC ........................................................................................ 17

2.2 Electrodos de Puesta a Tierra ........................................................................................ 20 2.2.1 Introduccin........................................................................................................... 20 2.2.2 Tipos de Electrodos ............................................................................................... 25

2.2.2.1 Electrodos Terrestres ......................................................................................... 25 2.2.2.2 Electrodos de Costa ........................................................................................... 27 2.2.2.3 Electrodos Marinos............................................................................................ 28

2.2.3 Consideraciones previas al diseo de electrodos................................................... 28 2.2.3.1 Bsqueda de Sitios para Electrodos Terrestres.................................................. 30 2.2.3.2 Estudios Preliminares ........................................................................................ 32

2.2.3.2.1 Estudios Geolgicos .................................................................................... 33 2.2.3.2.2 Estudios Geofsicos ..................................................................................... 33 2.2.3.2.3 Caractersticas Trmicas del Suelo.............................................................. 36

2.2.3.3 Catastro de Propietarios..................................................................................... 38 2.2.3.4 Estudio de Impacto Ambiental .......................................................................... 39

2.2.4 Consideraciones en el Diseo del Electrodo ......................................................... 40 2.2.4.1 Gradiente de Potencial....................................................................................... 40 2.2.4.2 Temperatura....................................................................................................... 42

2.2.5 Efectos del electrodo terrestre en otras instalaciones ............................................ 43 2.2.5.1 Corrosin ........................................................................................................... 44 2.2.5.2 Interferencias ..................................................................................................... 47

2.2.6 Materiales del electrodo......................................................................................... 48 2.2.6.1 Conductor Interno.............................................................................................. 49 2.2.6.2 Material de Relleno ........................................................................................... 50

2.2.7 Pruebas del Electrodo ............................................................................................ 51 2.2.7.1 Resistencia del electrodo ................................................................................... 51 2.2.7.2 Potenciales de paso y de contacto...................................................................... 52 2.2.7.3 Caractersticas trmicas del electrodo ............................................................... 52 2.2.7.4 Interferencias en estructuras .............................................................................. 52

3 Modelacin ............................................................................................................................ 54


iv

3.1 Programa de Clculo de Resistividad Equivalente........................................................ 54 3.2 Diseo de Electrodos..................................................................................................... 56

3.2.1 Restriccin del Programa y Diagrama de Flujo..................................................... 59 3.2.2 Clculo de Potencial Producido por una Barra en Presencia de Tres Medios....... 60 3.2.3 Clculo de Potencial de Electrodo Anillo ............................................................. 62 3.2.4 Distribucin de Potenciales en Vecindad del Electrodo........................................ 66 3.2.5 Gradiente de Potencial........................................................................................... 66 3.2.6 Resistencia de Puesta a Tierra ............................................................................... 67 3.2.7 Interfaz del Programa ............................................................................................ 67

3.2.7.1 Datos de Entrada................................................................................................ 67 3.2.7.2 Datos de Salida .................................................................................................. 69

3.3 Temperatura del Electrodo ............................................................................................ 71 3.4 Costo del Electrodo Diseado ....................................................................................... 73

3.4.1 Otros Costos .......................................................................................................... 75 3.4.1.1 Negociacin y Compra de Terreno.................................................................... 75 3.4.1.2 Estudios ............................................................................................................. 75 3.4.1.3 Ingeniera y Diseo............................................................................................ 76 3.4.1.4 Pruebas .............................................................................................................. 77

3.4.2 Costos Construccin.............................................................................................. 77 3.4.2.1 Movimiento de Tierra........................................................................................ 78 3.4.2.2 Materiales .......................................................................................................... 80

4 Implementacin ..................................................................................................................... 82 5 Caso Chileno ......................................................................................................................... 89

5.1 Modelo de Suelo Superficial 1 ...................................................................................... 91 5.1.1 Caso Base .............................................................................................................. 92

5.1.1.1 Datos del Electrodo ........................................................................................... 92 5.1.1.2 Datos del Conductor y Coke.............................................................................. 92 5.1.1.3 Datos de Temperatura........................................................................................ 93

5.1.2 Resultados Caso Base............................................................................................ 94 5.1.2.1 Especificaciones del Electrodo.......................................................................... 94 5.1.2.2 Temperatura del Electrodo ................................................................................ 95 5.1.2.3 Construccin...................................................................................................... 96

5.1.3 Sensibilidad a Parmetros del Electrodo ............................................................... 97 5.1.3.1 Radio.................................................................................................................. 97 5.1.3.2 Profundidad ....................................................................................................... 97

5.1.4 Sensibilidad al Coke .............................................................................................. 98 5.1.4.1 Seccin .............................................................................................................. 98 5.1.4.2 Gravedad Especfica .......................................................................................... 98

5.1.5 Sensibilidad a Temperatura ................................................................................... 99 5.1.5.1 Conductividad Trmica ..................................................................................... 99 5.1.5.2 Capacidad Trmica .......................................................................................... 100 5.1.5.3 Temperatura del Suelo Circundante ................................................................ 102

5.1.6 Conclusin para Modelo de Suelo 1.................................................................... 103 5.1.6.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 103 5.1.6.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 104 5.1.6.3 Construccin.................................................................................................... 106

5.1.7 Caso Sistema Bipolar 600 [kV]......................................................................... 106 5.1.7.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 107 5.1.7.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 107


v

5.1.7.3 Construccin.................................................................................................... 109 5.2 Modelo de Suelo Superficial 2 .................................................................................... 109

5.2.1 Especificaciones del Electrodo............................................................................ 110 5.2.2 Temperatura del Electrodo .................................................................................. 111 5.2.3 Construccin........................................................................................................ 112 5.2.4 Caso Sistema Bipolar 600 [kV]......................................................................... 113

5.2.4.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 113 5.2.4.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 114 5.2.4.3 Construccin.................................................................................................... 115

5.3 Modelo de Suelo Superficial 3 .................................................................................... 116 5.3.1 Especificaciones del Electrodo............................................................................ 116 5.3.2 Temperatura del Electrodo .................................................................................. 117 5.3.3 Construccin........................................................................................................ 118 5.3.4 Caso Sistema Bipolar 600 [kV]......................................................................... 119

5.3.4.1 Especificaciones del Electrodo........................................................................ 119 5.3.4.2 Temperatura del Electrodo .............................................................................. 120 5.3.4.3 Construccin.................................................................................................... 121

5.4 Modelo de Suelo Profundo.......................................................................................... 122 5.4.1 Sistema Bipolar de 500 [kV] ............................................................................. 122 5.4.2 Sistema Bipolar de 600 [kV] ............................................................................. 124

5.5 Conclusin Caso Chileno ............................................................................................ 125 6 Conclusin........................................................................................................................... 126

6.1 Trabajos Futuros .......................................................................................................... 127 7 Referencias .......................................................................................................................... 129 8 Anexos ................................................................................................................................. 131

8.1 Electrodos en el Mundo............................................................................................... 131


vi

ndice de Figuras

Figura 2.1: Componentes subestaciones convertidoras................................................................. 13 Figura 2.2: Transmisin HVDC en el mundo. .............................................................................. 14 Figura 2.3: Relacin potencia v/s distancia para sistemas HVDC y HVAC................................. 15 Figura 2.4: Comparacin entre torres de alta tensin de sistema HVDC y HVAC. ..................... 16 Figura 2.5: Comparacin Costos v/s Distancia entre sistemas de transmisin. ............................ 17 Figura 2.6: Conexin HVDC back-to-back................................................................................... 17 Figura 2.7: Conexin HVDC monopolar. ..................................................................................... 18 Figura 2.8: Conexin HVDC bipolar. ........................................................................................... 18 Figura 2.9: Conexin HVDC multiterminal paralela. ................................................................... 19 Figura 2.10: Conexin HVDC multiterminal en serie................................................................... 19 Figura 2.11: Sistema bipolar con retorno metlico. ...................................................................... 20 Figura 2.12: Sistema HVDC bipolar en operacin normal. .......................................................... 21 Figura 2.13: Sistema HVDC bipolar con falla en un polo. ........................................................... 22 Figura 2.14: Armnicas de sistema bipolar en operacin normal. ................................................ 22 Figura 2.15: Trnsito de las corrientes a tierra. ............................................................................. 23 Figura 2.16: nodo y ctodo segn sentido de la corriente. ......................................................... 24 Figura 2.17: Secciones de un electrodo anillo............................................................................... 24 Figura 2.18: Tipos de electrodos terrestres.................................................................................... 26 Figura 2.19: Electrodo tipo playa. ................................................................................................. 27 Figura 2.20: Electrodo tipo pileta. ................................................................................................. 27 Figura 2.21: Electrodo marino....................................................................................................... 28 Figura 2.22: Diagrama de actividades de proyecto de electrodo................................................... 29 Figura 2.23: Electrodos de Ibiuna, Sistema HVDC Itaip. ........................................................... 31 Figura 2.24: Principio de medicin magneto telrica. .................................................................. 35 Figura 2.25: Perfil de resistividad MT. ......................................................................................... 35 Figura 2.26: Resultado mtodo MT............................................................................................... 36 Figura 2.27: Variacin de la conductividad trmica...................................................................... 37 Figura 2.28: Propietarios de un sector. .......................................................................................... 39 Figura 2.29: Gradiente de voltaje. ................................................................................................. 41 Figura 2.30: Corrosin en metales................................................................................................. 45 Figura 2.31: Proteccin catdica con rectificador DC. ................................................................. 46 Figura 2.32: Proteccin catdica con nodo galvnico. ................................................................ 46 Figura 2.33: Interferencia del electrodo en redes AC.................................................................... 47 Figura 2.34: Circuito de lnea de tren. ........................................................................................... 48 Figura 2.35: Seccin del electrodo superficial. ............................................................................. 48 Figura 2.36: Seccin electrodo profundo. ..................................................................................... 49 Figura 2.37: Curvas equipotenciales. ............................................................................................ 53 Figura 3.1: Perfil de resistividades. ............................................................................................... 54 Figura 3.2: Criterio de dimensionamiento del electrodo. .............................................................. 57 Figura 3.3: Electrodo tipo anillo.................................................................................................... 58 Figura 3.4: Diagrama de flujo programa computacional............................................................... 60 Figura 3.5: Disposicin espacial de la barra en la segunda capa................................................... 61 Figura 3.6: Disposicin espacial de la barra en la capa superficial............................................... 61 Figura 3.7: Parmetros del electrodo anillo................................................................................... 64 Figura 3.8: Geometra con profundidad del electrodo 2.5 [m]................................................... 78


vii

Figura 3.9: Geometra con profundidad del electrodo > 2.5 [m]................................................... 79 Figura 4.1: Disposicin de barras en el espacio. ........................................................................... 85 Figura 4.2: Tensin de paso en la superficie del suelo.................................................................. 86 Figura 4.3: Tensin de paso en la superficie del suelo inmediata cercana al electrodo. ............... 86 Figura 4.4: Potencial en el contorno del electrodo. ....................................................................... 87 Figura 4.5: Comparacin de curvas homogneas.......................................................................... 88 Figura 5.1: Emplazamiento sistema de transmisin HVDC en Chile. .......................................... 89 Figura 5.2: Tipo de Sistema de Transmisin HVDC en Chile. ..................................................... 90 Figura 5.3: Temperatura electrodo v/s das de funcionamiento continuo para caso base. ............ 96 Figura 5.4: Temperatura del electrodo para 1,65 [W/mC] y 0,27 [W/mC].............................. 100 Figura 5.5: Temperatura del electrodo para 3,01x106 [J/m3C] y 1,3x106 [J/m3C]. ............... 101 Figura 5.6: Temperatura del electrodo para 30 [C] y 20 [C].................................................... 103 Figura 5.7: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 1............................... 105 Figura 5.8: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 1, 600 [kV]. ........... 108 Figura 5.9: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 2, 500 [kV]. ........... 112 Figura 5.10: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 2, 600 [kV]. ......... 115 Figura 5.11: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 3, 500 [kV]. ......... 118 Figura 5.12: Temperatura del electrodo Norte y Sur para modelo de suelo 3, 600 [kV]. ......... 121 Figura 5.13: Potencial a los 100 [km] del electrodo.................................................................... 122 Figura 5.14: Potencial con primera capa menos resistiva que la segunda................................... 123 Figura 5.15: Corriente con segunda capa ms resistiva............................................................... 124 Figura 5.16: Corriente con primera capa ms resistiva. .............................................................. 124


viii

ndice de Tablas

Tabla 2.1: Nmero de electrodos por tipo. .................................................................................... 25 Tabla 2.2: Capacidad trmica en suelos. ....................................................................................... 37 Tabla 2.3: Distancias entre electrodos y subestaciones conversoras y potenciales inducidos. ..... 43 Tabla 3.1: Datos de entrada clculo Matlab. ................................................................................. 67 Tabla 3.2: Datos de entrada lnea y coke....................................................................................... 68 Tabla 3.3: Datos de salida clculo Matlab..................................................................................... 69 Tabla 3.4: Datos de salida lnea..................................................................................................... 70 Tabla 3.5: Das de funcionamiento continuo................................................................................. 73 Tabla 3.6: Resumen Otros Costos. ................................................................................................ 74 Tabla 3.7: Resumen Costos de Construccin. ............................................................................... 74 Tabla 3.8: Costo Total. .................................................................................................................. 74 Tabla 3.9: Negociacin y compra de terreno................................................................................. 75 Tabla 3.10: Estudios. ..................................................................................................................... 76 Tabla 3.11: Ingeniera y Diseo. ................................................................................................... 76 Tabla 3.12: Pruebas. ...................................................................................................................... 77 Tabla 3.13: Puesta a tierra. ............................................................................................................ 77 Tabla 4.1: Resultados EPRI........................................................................................................... 82 Tabla 4.2: Resultados del paper..................................................................................................... 82 Tabla 4.3: Resultados programa Matlab 8 barras y 1[m] de paso. ................................................ 83 Tabla 4.4: Resultados programa Matlab 12 barras y 0.5 [m] de paso. .......................................... 83 Tabla 4.5: Datos de entrada comparacin de imgenes................................................................. 84 Tabla 4.6: Comparacin de resultados en funcin del nmero de imgenes. ............................... 84 Tabla 5.1: Resistividades del suelo superficial.............................................................................. 90 Tabla 5.2: Resistividades profundas.............................................................................................. 91 Tabla 5.3: Modelo de suelo 1. ....................................................................................................... 91 Tabla 5.4: Datos del electrodo....................................................................................................... 92 Tabla 5.5: Datos de conductor y coke. .......................................................................................... 92 Tabla 5.6: Parmetros del suelo modelo de suelo 1. ..................................................................... 93 Tabla 5.7: Resultados caso base modelo de suelo 1. ..................................................................... 94 Tabla 5.8: Resultados lnea electrodo para caso base.................................................................... 95 Tabla 5.9: Temperatura del electrodo para caso base.................................................................... 95 Tabla 5.10: Temperatura en das de funcionamiento continuo para caso base. ............................ 95 Tabla 5.11: Resultados de construccin para caso base. ............................................................... 96 Tabla 5.12: Especificaciones para anillo de 900 [m] de dimetro................................................. 97 Tabla 5.13: Especificaciones para profundidad de electrodo de 4 [m]. ........................................ 97 Tabla 5.14: Especificaciones para seccin de coke de 0,6 [m]. .................................................... 98 Tabla 5.15: Parmetros de temperatura ante cambio de conductividad trmica. .......................... 99 Tabla 5.16: Temperatura en das de funcionamiento continuo para 1,65 [W/mC]...................... 99 Tabla 5.17: Parmetros de temperatura de electrodo para 3,01x106 [J/m3C]........................... 100 Tabla 5.18: Temperatura en das de funcionamiento continuo para 3,01x106 [J/m3C]............ 101 Tabla 5.19: Parmetros de temperatura de electrodo con temperatura del suelo de 30 [C]. ..... 102 Tabla 5.20: Resultados de temperatura en das de funcionamiento continuo para 30[C].......... 102 Tabla 5.21: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 1. ............................... 104 Tabla 5.22: Parmetros de temperatura finales para modelo de suelo 1. .................................... 104 Tabla 5.23: Temperatura en das para modelo de suelo 1 norte y sur. ........................................ 105


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Tabla 5.24: Resultado final para parmetros constructivos para modelo de suelo 1................... 106 Tabla 5.25: Resultados electrodo para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 1... 107 Tabla 5.26: Resistencia total para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 1.......... 107 Tabla 5.27: Parmetros de temperatura, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 1. 107 Tabla 5.28: Temperatura v/s das para 600 [kV] para modelo de suelo 1 norte y sur............... 108 Tabla 5.29: Parmetros constructivos, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 1... 109 Tabla 5.30: Modelo de suelo 2. ................................................................................................... 109 Tabla 5.31: Resultados electrodo para modelo de suelo 2. ......................................................... 110 Tabla 5.32: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 2. ............................... 110 Tabla 5.33: Parmetros de temperatura, sistema bipolar de 500 [kV] para modelo de suelo 2. 111 Tabla 5.34: Temperatura v/s das para 500 [kV] para modelo de suelo 2 norte y sur............... 111 Tabla 5.35: Resultados constructivos para modelo de suelo 2. ................................................... 112 Tabla 5.36: Resultados electrodo para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 2... 113 Tabla 5.37: Resistencia total para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 2.......... 113 Tabla 5.38: Parmetros de temperatura, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 2. 114 Tabla 5.39: Temperatura v/s das para 600 [kV] para modelo de suelo 2 norte y sur............... 114 Tabla 5.40: Parmetros constructivos, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 2... 115 Tabla 5.41: Modelo de suelo 3. ................................................................................................... 116 Tabla 5.42: Resultados electrodo para modelo de suelo 3. ......................................................... 116 Tabla 5.43: Resistencia total de retorno por tierra para modelo de suelo 3. ............................... 117 Tabla 5.44: Parmetros de temperatura, sistema bipolar de 500 [kV] para modelo de suelo 3. 117 Tabla 5.45: Temperatura v/s das para 500 [kV] para modelo de suelo 3 norte y sur............... 117 Tabla 5.46: Resultados constructivos para modelo de suelo 3. ................................................... 118 Tabla 5.47: Resultados electrodo para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 3... 119 Tabla 5.48: Resistencia total para sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 3.......... 119 Tabla 5.49: Parmetros de temperatura, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 3. 120 Tabla 5.50: Temperatura v/s das para 600 [kV] para modelo de suelo 3 norte y sur............... 120 Tabla 5.51: Parmetros constructivos, sistema bipolar de 600 [kV] para modelo de suelo 3... 121 Tabla 8.1: Electrodos en el mundo. ............................................................................................. 132


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1 Introduccin

1.1 Motivacin

En la actualidad, se pretenden construir cinco centrales hidroelctricas en la regin de Aysn; especficamente en los ros Baker y Pascua, con una potencia instalada total de 2.750 [MW] [1].

Las cinco centrales se pretenden conectar al SIC en la regin Metropolitana, utilizando

entonces un sistema de transmisin de aproximadamente 2.000 [km] de lnea para unir ambos puntos.

Dada la distancia entre los puntos de conexin y la potencia a transmitir, la solucin

natural de transmisin de potencia es mediante corriente continua (HVDC). Los sistemas de transmisin HVDC poseen diversos componentes siendo uno de los principales los electrodos de puesta a tierra.

Los electrodos no tienen tamaos predeterminados y estndares en el mundo, de hecho

existe una gran gama de electrodos con distintas dimensiones (desde unas pocas a hectreas de terreno hasta decenas de hectreas). Es importante entonces este trabajo porque permite conocer el tamao aproximado de ste y acotar el terreno a usar.

Adems de esta aplicacin, en Chile se pueden implementar estos sistemas para otras

aplicaciones tales como una interconexin con Per (Back-to-Back) y/o Argentina y una interconexin entre el SIC y el SING [2].

Dado lo anterior, este trabajo referido al electrodo marca una pauta a seguir tanto para

este, como para futuros proyectos en Chile que involucren la tecnologa HVDC.

1.2 Objetivos

Bajo el contexto planteado anteriormente, se proponen tres objetivos que permiten definir la calidad del terreno para la instalacin de un electrodo, los parmetros de ste y los costos que involucra un proyecto de puesta a tierra. Los objetivos son:


11

1. Dimensionar un electrodo de puesta a tierra terrestre con forma de anillo para un sistema HVDC bipolar a partir de parmetros dados y en suelos de dos capas de distinta resistividad.

2. Estimar potenciales en la superficie del suelo en el entorno del electrodo.

3. Evaluar costos del proyecto de ejecucin del electrodo.

1.3 Objetivos Especficos

1. Estimar la resistividad equivalente de un terreno de ms de dos capas paralelas de distinta resistividad.

2. Identificar los parmetros fsicos que permitan establecer el potencial y la temperatura del electrodo cuando ste opera un tiempo determinado en forma continua.

3. Identificar los costos ms importantes en un proyecto de electrodo y la relacin que hay entre estos y las variables estudiadas.

4. Realizar un programa computacional que calcule los parmetros descritos a partir del ingreso de variables de entrada pertinentes y que como resultado se obtengan grficos de tensin en la superficie del suelo, la temperatura en funcin de los das de funcionamiento continuo, la resistencia del electrodo, la tensin de paso y todas las variables que sean importantes para dimensionar la instalacin.

1.4 Alcances

Este trabajo permite obtener una primera estimacin de la de la dimensin que un electrodo puede tener en un sitio determinado, y no se estima si el sitio en que puede instalarse el electrodo es apto o no.

Se muestran de forma general los pasos necesarios para el desarrollo de un proyecto de

instalacin de un electrodo terrestre, desde la bsqueda de un sitio apto para el electrodo hasta la pruebas finales que se realizan para corroborar su funcionamiento aceptable.

Sin embargo, en este trabajo no se entra en detalles que competen a las etapas de

ingeniera bsica y de detalles. No se entra en detalles de transferencia de calor al suelo, ni de


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procesos qumicos que se producen en el suelo producto de la inyeccin de corriente y tampoco la prdida de material del electrodo. No se cuantifica el nivel de corrosin a otras instalaciones enterradas ni las corrientes que ingresan a los neutros de los transformadores.

A pesar de entregar una evaluacin econmica del proyecto, el valor final del proyecto no

se debe tomar como exacto ya que se hace una serie de suposiciones que conllevan un resultado solo aproximado.

1.5 Hiptesis de Trabajo

La hiptesis de este trabajo es: El largo de la lnea de transmisin HVDC en el caso chileno hace necesario el uso de

electrodos de puesta tierra como camino de retorno de la corriente.

1.6 Contenidos

En el captulo 2 se realiza una revisin de la bibliografa referida al tema de los electrodos de puesta a tierra. En ste se intenta comprender el funcionamiento del electrodo, las variables importantes para disearlo y los pasos que se deben seguir en un proyecto de este tipo, desde encontrar un terreno apto hasta la final puesta en marcha del sistema.

El captulo 3 muestra las ecuaciones y el modelo que se utiliz para desarrollar en Matlab

el programa de clculo de resistividad equivalente del suelo y el diseo del electrodo a partir de los parmetros que se ingresan en Excel. Luego, se ven los modelos que se usaron para estimar la temperatura del electrodo y los costos ms importantes que se deben considerar desde la bsqueda de un terreno hasta las pruebas en terreno que se realizan para confirmar que el diseo del electrodo es aceptable.

En el captulo 4 se muestra la validacin del programa y de los modelos utilizados, donde

se comparan los resultados obtenidos, con resultados de otros electrodos en el mundo y de otros modelos de clculo implementados en una o varias capas de suelo de distinta resistividad.

Finalmente, el captulo 5 ejemplifica los posibles electrodos que se tendran para el caso

del sistema HVDC que unira las centrales de Aysn con en SIC en la regin Metropolitana. Se muestra en este captulo un anlisis de sensibilidad que permite ver como influyen las distintas variables del electrodo en los resultados finales.


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2 Revisin Bibliogrfica

2.1 Introduccin al HVDC

Los sistemas de transmisin HVDC son una tecnologa que hoy en da cuenta con una basta experiencia por los mltiples proyectos desarrollados y por desarrollar a lo largo de todo el mundo.

En la actualidad, Chile pretende realizar el primer sistema de transmisin con esta tecnologa, y mltiples seran los proyectos que se podran desarrollar a futuro tanto en Chile como en el resto de Latinoamrica.

2.1.1 Generalidades

Existen dos tipos de sistemas de transmisin en alta tensin, los HVDC y los HVAC (high voltaje alternating current, alto voltaje en corriente alterna). En los HVDC, la energa elctrica se toma en un punto de una red trifsica (corriente alterna), se convierte en corriente continua en una estacin convertidora (rectificadora), se transporta al punto de destino por una lnea area o un cable, y se vuelve a convertir a corriente alterna en otra estacin convertidora (inversora) para su posterior inyeccin a la red receptora AC. Lo que se describe anteriormente queda definido en la Figura 2.1, donde se ven las principales instalaciones de un sistema de transmisin HVDC, tales como las estaciones convertidoras AC/DC, los transformadores, la lnea de transmisin, los filtros y el reactor de alisamiento en el lado DC y los filtros de armnicos en el lado AC.

Figura 2.1: Componentes subestaciones convertidoras.


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La transmisin de energa elctrica comenz a utilizarse aproximadamente hace 120 aos,

y el primer enlace HVDC (high voltaje direct current, alto voltaje en corriente continua) se realiz en el ao 1954 para unir la isla de Gotland con Suecia con un cable submarino de 98 [Km] en 100 [kV]. Hoy por hoy, esta tecnologa est consolidada, y alcanza una capacidad instalada que en el ao 2007 de lleg a los 80.000 [MW] aproximadamente [2].

A lo largo del mundo se pueden ver distintos proyectos de transmisin HVDC, tal como

se ve en la siguiente Figura 2.2. En Sudamrica, por ejemplo, slo Brasil posee un sistema de transmisin HVDC. Este sistema es el actual sistema de Itaip.

Figura 2.2: Transmisin HVDC en el mundo.


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2.1.2 HVDC versus HVAC

Existen distintos criterios que permiten elegir entre el uso de un sistema de transmisin en corriente continua o corriente alterna, siendo los principales los criterios tcnicos y econmicos. En general, los sistemas HVDC poseen varias ventajas sobre los sistemas HVAC y son variadas las funciones que este tipo de sistemas de transmisin permiten realizar, tal como queda descrito en [3].

Las razones tcnicas de cuando es preferible usar la transmisin en corriente continua en

vez de la alterna se muestran a continuacin.

1. Cuando se tienen distancias grandes entre un punto de conexin con otro. Como se muestra en la Figura 2.3, la potencia transmitida en un sistema HVDC es, en cierta medida, independiente de la distancia. En un sistema HVAC la capacidad de transporte disminuye con las distancias de las lneas debido a sus efectos inductivos. En este caso las prdidas hmicas no son tomadas en cuenta, dado que afectan a ambos sistemas de manera similar, por lo que no son muy relevantes de comparar.

Figura 2.3: Relacin potencia v/s distancia para sistemas HVDC y HVAC.

2. Otra situacin en que se hace necesario el uso de un sistema HVDC es cuando se necesita conectar dos sistemas asncronos, o bien si slo se desea una operacin asncrona.

3. Cuando se desea transmitir por cables submarinos a distancias mayores a 32 [Km], debido a la alta capacidad dielctrica de los cables que lo hace muy difcil para HVAC. El uso de cables se puede extender tambin en ciudades donde ya no es posible transmitir en lneas areas por la congestin que la ciudad podra llegar a tener, y la distancia de transmisin hace poco econmico el uso de transmisin AC.


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El otro factor que tambin se debe tomar en consideracin para determinar el uso de un

sistema u otro es el econmico. Aqu entran en juego factores como la distancia que recorrer la lnea de transmisin, la tensin de transmisin, los transformadores, los filtros, las convertidoras en el caso del HVDC, las torres de alta tensin, etc.

En [3], por ejemplo, se dice que el costo unitario de la lnea de transmisin HVDC es menor que el de transmisin HVAC para una cantidad de potencia a transmitir dada. La Figura 2.4 muestra un ejemplo de las torres que se tendran que usar y de la franja de servidumbre para el caso de transmisin en AC y en DC para un mismo nivel de potencia de 2.500 [MW] y 500 [kV] de tensin. Claramente se ve cmo el costo de las primeras sera superior al caso de las segundas.

Figura 2.4: Comparacin entre torres de alta tensin de sistema HVDC y HVAC.

Sin embargo, las subestaciones convertidoras son mucho ms costosas que las

subestaciones AC tradicionales. Esto se debe principalmente a los equipos que las subestaciones convertidoras necesitan para el funcionamiento del sistema. La Figura 2.5 muestra un grfico tpico de los costos versus la distancia entre los sistemas de transmisin en corriente alterna y continua para un mismo nivel de potencia mayor o igual a 1.000 [MW] [2]. A una distancia de 0 [km] se tienen los costos de las subestaciones de ambos tipos de sistemas, y el aumento se comienza a producir producto del costo de la lnea area de transmisin.


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Figura 2.5: Comparacin Costos v/s Distancia entre sistemas de transmisin.

Finalmente, se puede decir que la transmisin en HVDC es una tecnologa madura en el mundo y que para grandes bloques de energa y largas distancias, esta tecnologa es ms competitiva y con un menor impacto ambiental que la transmisin HVAC.

2.1.3 Configuraciones HVDC

Existen hoy en da distintas configuraciones de transmisin HVDC. A continuacin se explicarn las configuraciones bsicas [4]:

Conexin back-to-back: En este tipo de conexin, las subestaciones convertidoras se encuentran en el mismo lugar, por lo que no existe lnea de transmisin. El sistema de control del sistema podr determinar indistintamente cual de las dos convertidoras ser la rectificadora y cual la inversora. En general, este sistema se usa para tensiones bajas que varen entre 50 [kV] y 150 [kV], y para altas corrientes en los tiristores. La Figura 2.6 muestra esquemticamente esta configuracin.

Figura 2.6: Conexin HVDC back-to-back.


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Conexin monopolar: Las dos subestaciones convertidoras se unen a travs de un conductor (lnea area o cable) y como retorno se usa la tierra a travs de dos electrodos de puesta a tierra o un retorno metlico. La Figura 2.7 muestra este tipo de conexin con un retorno por tierra, donde se tiene un polo de voltaje Vd que implica un solo sentido de la corriente.

Figura 2.7: Conexin HVDC monopolar.

Conexin bipolar: Posee dos conductores, uno con polaridad negativa -Vd y el otro con polaridad positiva +Vd, por lo que esta configuracin se podra considerar como una conexin de dos sistemas monopolares. Cada conductor une las dos subestaciones convertidoras, tal como se ve en la Figura 2.8. Si uno de los sistemas monopolares deja de funcionar entonces puede funcionar el otro con la tierra como retorno (o con retorno metlico) y si ambos funcionan simultneamente, por la tierra (o retorno metlico) circular una corriente casi despreciable correspondiente al desbalance de ambos polos.

Figura 2.8: Conexin HVDC bipolar.


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Conexin multiterminal: La Figura 2.9 y la Figura 2.10 muestran la conexin paralela y serie respectivamente.

Figura 2.9: Conexin HVDC multiterminal paralela.

Figura 2.10: Conexin HVDC multiterminal en serie.

Para los tres ltimos sistemas mencionados, el utilizar retorno metlico significa que al

sistema se le agrega otra lnea o cable por la cual transite la corriente de retorno. Para el caso de un sistema bipolar, el retorno metlico tambin se puede usar a partir de la

lnea que no est en operacin cuando el retorno por tierra no puede ser usado, an cuando est instalado. Por ejemplo, cuando los electrodos fueron usados hace poco tiempo y aun no han disminuido la temperatura como para qu soporte nuevamente una corriente de gran magnitud (se hablar sobre la temperatura del electrodo en la seccin 2.2.4.2). La Figura 2.11 muestra la situacin anterior, donde toda la corriente del sistema va por la lnea de transmisin de ambos polos, pero el polo 2 y los electrodos estn desconectados:


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Figura 2.11: Sistema bipolar con retorno metlico.

2.2 Electrodos de Puesta a Tierra

Como se mencion anteriormente, algunas de las configuraciones anteriores necesitan el uso de electrodos de puesta a tierra para la transmisin de las corrientes a tierra. A continuacin se explicarn lo que son los electrodos de puesta a tierra y todo lo que hay que considerar para el proyecto de instalacin de estos, desde los estudios hasta las pruebas finales que validen su buen funcionamiento.

2.2.1 Introduccin

Los electrodos de puesta a tierra en un sistema HVDC son la conexin fsica al suelo (o a la tierra) de las corrientes a tierra. Las corrientes a tierra es un trmino que se refiere a las corrientes que circulan entre ambas subestaciones convertidoras a travs de la Tierra como conductor normal.

En los sistemas HVDC los electrodos se usan con dos propsitos, el primero es el de fijar

el punto 0 [V] para proteger a las personas y equipos de la conversora, y el segundo es permitir una ruta alternativa de la corriente cuando ciertos equipos e instalaciones fallen, aumentando la confiabilidad del sistema.

Para las distintas configuraciones de sistemas HVDC mostradas anteriormente, es

necesario un camino de retorno para la corriente cuando el sistema deje de funcionar correctamente o se haga algn tipo de mantencin. Una excepcin a esto ocurre para el caso del sistema monopolar, que ante el caso de alguna falla, el sistema deja de funcionar completamente y no existe transmisin de energa. Para todas las otras configuraciones, los electrodos de ambas


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subestaciones funcionarn en su mxima capacidad cuando uno de los polos del sistema deje de operar.

Para un sistema bipolar, por ejemplo, se puede apreciar en la Figura 2.12 y la Figura 2.13

que al fallar uno de los polos, el polo que contina funcionando seguir transmitiendo energa ya que los electrodos comienzan a funcionar conduciendo corriente a travs de la tierra.

La cantidad de corriente mxima que se pueda transmitir usando los electrodos depender

de la capacidad de sobrecarga del sistema. La sobrecarga depender, adems de la potencia que se transmita, de los tiristores y de los transformadores que la subestacin convertidora posea.

Figura 2.12: Sistema HVDC bipolar en operacin normal.


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Figura 2.13: Sistema HVDC bipolar con falla en un polo.

De la Figura 2.12 se puede observar tambin, que en esta configuracin de transmisin los

electrodos transmiten la corriente de desbalance del sistema cuando ste opera normalmente. Estas corrientes de desbalance corresponden a las armnicas del sistema, y el orden de las armnicas que circularn depender de la cantidad de pulsos de la seal de tensin [5]. Por ejemplo, para una configuracin bipolar de 12 pulsos, se tienen armnicas circulando por los electrodos del tipo 12n (con n=1,2,), es decir el nmero de pulsos del sistema multiplicado por un entero, tal como se ve en la Figura 2.14.

Figura 2.14: Armnicas de sistema bipolar en operacin normal.

El camino que usa la corriente a travs del suelo para llegar de una subestacin a otra no

es uno solo, sino que se reparte por distintas capas del suelo. Los distintos caminos que tome la corriente dependern de la resistividad que tenga el terreno y de la configuracin del electrodo.

La resistencia total que se tenga (resistencia de las lneas del electrodo + resistencia de los

electrodos) debe ser baja y con prdidas pequeas. De no ser posible obtener una baja resistencia,


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es necesario buscar otro terreno para el electrodo, otra configuracin, o simplemente evaluar un retorno metlico.

Un retorno a travs de un conductor metlico (Figura 2.11) posee grandes prdidas debido

al gran largo que podra llegar a tener y sus costos son significativos. En trminos generales, el trnsito de la corriente por la Tierra queda descrito en la Figura 2.15, y se ve como la corriente no sigue solo un camino para unir elctricamente ambas subestaciones:

Figura 2.15: Trnsito de las corrientes a tierra.

La baja resistencia que se tendr en el camino de la corriente por la tierra se debe a que la corriente en estado estacionario se reparte por bastas zonas de secciones transversales a lo ancho y a lo profundo en la tierra [3], buscando siempre el camino ms fcil.

El sentido de la corriente que circule por los electrodos, es decir, que entre o salga de

ellos, depender del polo que falle en el sistema. Este sentido de la corriente determinar un electrodo que funcionar en modo nodo, que ser por el que la corriente salga, y uno modo ctodo, por el que la corriente entrar, tal como se ve en la Figura 2.16. Como en un sistema monopolar la corriente fluye en un solo sentido, ser de suma importancia determinar los modos de los electrodos, ya que de eso depender el material que use cada uno debido a que el nodo se corroe mucho ms que el ctodo. En una configuracin bipolar, dado que la corriente puede fluir en cualquier direccin, ambos electrodos podrn estar en ambos modos, por lo que los dos se construyen pensando que pueden operar como nodos al menos la mitad de las veces, lo que


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permitir estimar de mejor manera su vida til. Sobre el material de los electrodos se ver en la seccin 2.2.6.

Figura 2.16: nodo y ctodo segn sentido de la corriente.

Aunque la tasa de falla de los electrodos no es alta, existe la posibilidad de que estos no

operen de manera correcta. Para esto, se construyen dividindolos en dos o ms secciones (en la Figura 2.17 se utilizan cuatro), de manera que ste siga operando aunque una de las secciones est desconectada y se pueda realizar mantencin o inspeccin a la seccin fallada [5].

Figura 2.17: Secciones de un electrodo anillo.


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2.2.2 Tipos de Electrodos

En la actualidad, se pueden ver en el mundo tres tipos distintos de electrodos que quedan clasificados por el lugar de instalacin. Estos son los electrodos terrestres, los de costa y los marinos.

Cabe sealar que no es necesario que los dos electrodos de las subestaciones conversoras

(inversoras y rectificadoras) sean del mismo tipo, y ms an, ni siquiera iguales. El uso de uno o de otro quedar determinado principalmente por las caractersticas del suelo y la ubicacin de las subestaciones.

En la seccin 8.1 del captulo de Anexos, se muestra una lista con los electrodos que

existen en el mundo al ao 2007 basada en el paper An environmental survey on the operation and impact of HVDC electrodes [6] y actualizada con los que se ha tenido conocimiento posterior. La siguiente tabla muestra el resumen de los tipos de electrodos que la Tabla 8.1 detalla.

Tabla 2.1: Nmero de electrodos por tipo.

Nmero de Electrodos Tipo de Electrodo Reversible nodo Ctodo

Tierra 49 0 0 Playa 8 2 1 Mar 3 4 5

Se puede apreciar de la Tabla 2.1 que la mayor cantidad de electrodos en el mundo la

muestran los terrestres. Dentro de este tipo de electrodos el ms usado es el tipo anillo ya que presenta una densidad de corriente homognea en todo su entorno, lo que produce un gasto parejo del material. No ocurre lo mismo con electrodos de otras configuraciones que usen barras, ya que estas tienen una densidad de corriente mayor en sus extremos por lo que se produce una mayor prdida de material en esos puntos.

2.2.2.1 Electrodos Terrestres

Estos son electrodos que se construyen en tierra, lejos de la influencia del agua salada que se tiene en la costa. Se subdividen en superficiales, que abarcan un rea de varias hectreas y que se entierran en unos pocos metros bajo la superficie (entre 1.2 [m] y 8 [m] [5]), y profundos, que alcanzan solo unas decenas de metros cuadrados de rea y que se entierran de manera vertical de modo que alcanzan ms de 60 [m] bajo la superficie [5].

El uso de uno o de otro queda determinado principalmente por el tipo de suelo y las

corrientes nominales que tenga el sistema HVDC. Por ejemplo, un arreglo vertical de electrodos


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es til cuando el terreno presenta bajas resistividades en capas ms profundas, mientras que el electrodo superficial ser ms eficiente en terrenos donde la resistividad entre 1 [m] y 8 [m] es menor que las resistividades ms profundas. La corriente influir en los potenciales que se tengan en la tierra prxima al electrodo, y la distribucin de voltajes de paso variar dependiendo del tipo de electrodo terrestre que se tenga. No ocurrir lo mismo para los potenciales lejos del electrodo, ya que la forma de ste no influir en ellos.

La Figura 2.18 muestra las configuraciones existentes de electrodos terrestres [7]:

Figura 2.18: Tipos de electrodos terrestres.


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Las configuraciones ms comunes de los electrodos superficiales son las de anillo, la de

estrella y la lineal. Para los electrodos profundos se pueden realizar distintas configuraciones con las barras verticales, desde un anillo hasta una lnea y el nmero de barras que se usen depender de la densidad de corriente que se requiera [8].

2.2.2.2 Electrodos de Costa

Son electrodos que se desarrollan, como bien dice su nombre, en la costa marina, por lo que estn cercanos a la playa y por lo tanto al agua salada. Se subdividen en electrodos de playa y de pileta.

Los electrodos de playa (Figura 2.19) se entierran bajo el lmite costero, donde se encuentra agua saturada (salada y/o dulce), por lo que se tiene una baja resistividad en el terreno y por lo tanto, la corriente fluye fcilmente al mar. Estos electrodos se pueden disponer de forma horizontal o vertical.

Los electrodos de pileta (Figura 2.20) se encuentran en la orilla de la playa y el contacto

con el agua se produce de manera directa, por lo que es necesario protegerlos de animales, olas y personas por medio de la construccin de una estructura alrededor. Al estar directamente en contacto con el agua se tiene una baja resistividad, lo que permite un flujo expedito de la corriente desde este electrodo al otro a travs del agua de mar principalmente [8].

Figura 2.19: Electrodo tipo playa.

Figura 2.20: Electrodo tipo pileta.


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2.2.2.3 Electrodos Marinos

A diferencia de los electrodos de costa, estos electrodos se desarrollan en el fondo marino y en el interior del mar, a distancias de ms de 100 [m] de la orilla del mar. Las profundidades en el lugar en que se dispone el electrodo pueden variar entre 5 [m] y 30 [m]. Profundidades mayores a 30 [m] dificultara la construccin debido al tiempo que los buzos podran permanecer en ese lugar.

Estos electrodos quedan protegidos generalmente por bloques de cemento o piedras para

aislarlos de los animales marinos, anclas, buzos, etc. Un ejemplo de esta configuracin se muestra en la siguiente figura:

Figura 2.21: Electrodo marino.

Aunque la principal caracterstica de los electrodos marinos y de costa es su contacto con

el agua salada, es tericamente posible disponer los electrodos en agua dulce [5].

2.2.3 Consideraciones previas al diseo de electrodos

Previo al diseo de un electrodo de puesta a tierra es necesario considerar distintos puntos, desde la bsqueda de un terreno apto, hasta la final puesta en marcha del electrodo. En [5] se muestra un diagrama (Figura 2.22) con los pasos aconsejables que un proyecto de este tipo puede tener, pero como cada proyecto es distinto, distintas tambin pueden ser las formas de afrontar y escoger los pasos a seguir.


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Figura 2.22: Diagrama de actividades de proyecto de electrodo.

Los requerimientos que un electrodo necesita para que tenga un funcionamiento ptimo y

seguro, y que los costos de construccin sean mnimos son sealados por Kimbark [3] y se muestran a continuacin:

Baja resistencia: esto es necesario para tener prdidas bajas de potencia. La resistencia es una funcin de la geometra del electrodo mismo, de la lnea del electrodo y la resistividad del suelo, por lo que el terreno debe contar con caractersticas favorables.

Conduccin adecuada de la corriente: para esto se necesita una superficie adecuada del

electrodo y una baja densidad de corriente, de manera de evitar el sobrecalentamiento y la ebullicin del agua del suelo, ya que esto ltimo producira el secado del suelo adyacente. La disminucin de la humedad del suelo produce un aumento de la resistividad del suelo, y este a su vez produce un aumento de la resistencia total del electrodo.

Bajo costo de mantencin: los electrodos necesitan de mantencin, ya que cuando

funciona en modo nodo se produce el fenmeno de electrlisis y la corrosin del material. Este fenmeno ser explicado ms adelante.

Sea accesible: el terreno donde se construya el electrodo debe ser de accesos cmodos

para su fcil construccin, inspeccin y mantenimiento. Mnimo impacto a otros elementos: como se dijo anteriormente, los electrodos pueden

producir aumento de la tensin de referencia de tierra de los transformadores de las subestaciones respectivas, interferencias (en telecomunicaciones) y corrosin acelerada a otros elementos metlicos enterrados en las proximidades del electrodo.


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2.2.3.1 Bsqueda de Sitios para Electrodos Terrestres

El primer paso, y el ms complicado en el proyecto de electrodo a puesta a tierra ya sea terrestre, marino o de costa, es el de la bsqueda de un terreno propicio que sea apto para la instalacin del electrodo, que puede tomar un tiempo de hasta 15 meses [5]. Luego de esto, se podr elegir el tipo de electrodo que se usar y en el diseo se incluirn todas las limitaciones que se necesiten, tales como temperatura, tensiones de paso y de contacto.

Las principales consideraciones para elegir un terreno apto para el electrodo se pueden

dividir en dos factores, los tcnicos y los geofsicos/geogrficos [5], tal como se puede dilucidar de los objetivos de la seccin 2.2.3. Las consideraciones tcnicas se refieren a las caractersticas elctricas y termodinmicas que deben poseer los electrodos para conducir una corriente a travs del suelo sin causar temperaturas y tensiones inaceptables, y que la resistencia del electrodo sea la adecuada para el sistema. Las consideraciones geofsicas y geogrficas se obtienen a partir de estudios que dan las condiciones generales que un terreno puede tener. La poca probabilidad que un terreno cumpla todas las condiciones geofsicas y geogrficas necesarias, no impide que el diseo del electrodo sea el ptimo para el terreno que sea escogido, pero si aumenta sus costos y hace ms complejo su diseo.

Para el caso de los electrodos terrestres el sitio debe ser en lo posible plano y poco rocoso,

por lo que una vista en terreno area y superficial de los sitios ser una tarea obligatoria. Sin embargo, primero se tendrn que buscar los sitios va mapas de los sectores que se encuentran a cierto radio de la subestacin conversora.

Cuan extensa sea la planicie que se busca depender del tamao que el electrodo tenga, y

dado que los electrodos tipo anillo son los ms comunes y extensos, estos darn un lmite mximo del rea que el electrodo puede ocupar. Mirando en el mundo algunos de los tamaos que los electrodos tienen pueden variar entre los 200 [m] y los 1.000 [m] de dimetro. Por ejemplo en el sistema de Itaip en Brasil se tiene uno de los electrodos anillo ms grandes, con un dimetro de aproximadamente 1.000 [m] alcanzando con esto un rea de aproximadamente 100 [Ha]. Para dar una mejor aproximacin del tamao del electrodo, es necesario conocer la corriente que el sistema HVDC transmitir. Por ejemplo, los 3.000 [A] del sistema de Itaip explican de cierta forma el tamao del electrodo que se utiliza.

Tal como se ve en la Figura 2.23, los electrodos no necesariamente deben tener una forma

geomtricamente perfecta, por lo que si se encuentra en el terreno algn rea que sea dificultosa para la construccin, se puede realizar un nuevo trazado en la construccin [5]. Esto provocar sin embargo que se produzca mayor prdida de material por efecto de corrosin en algunas barras del electrodo.


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Figura 2.23: Electrodos de Ibiuna, Sistema HVDC Itaip.

Otras consideraciones que se deben tomar en cuenta son las distancias que el electrodo

debe tener con algunas instalaciones que posean puntos de aterramiento, como los transformadores de la subestacin conversora y de otras subestaciones AC, reas muy pobladas que posean redes elctricas y de comunicacin, etc. Esto se debe a las interferencias que los campos elctricos, inducidos por el electrodo producto de la corriente que circula en l, generan en este tipo de instalaciones. En la literatura se manejan algunas distancias tpicas que se deben mantener con algunos de estos sitios, sin embargo son solo aproximaciones, ya que solo cuando el electrodo est en funcionamiento es que se tendrn las reales interferencias que produce en su entorno. El valor que en general se maneja es de 8 [km] a los sitios nombrados anteriormente, por lo que cuando se elija el sitio, es recomendable mantener ese radio [3]. En la seccin 2.2.5 se profundizar ms en el tema de las interferencias.

Una de las instalaciones que debe estar, en cierta medida, cercana, es la lnea de

transmisin HVDC o en su defecto alguna lnea de transmisin AC, ya que la cercana a estas estructuras permitir reducir el nmero de torres que se usarn exclusivamente para la lnea del electrodo y por lo tanto se reducir la longitud de conductor y por ende la resistencia. Esto influir directamente en el costo del proyecto, reduciendo la inversin necesaria debido a la servidumbre que implica una lnea [5]. Adems, al ser ms corta la lnea del electrodo, se evitar lidiar con propietarios de ms terrenos.

En el tramo en de la lnea del electrodo que se encuentra junto con las lneas HVDC, ser

necesario realizar un estudio de induccin electroesttica. La importancia de este estudio radica en conocer la tensin que puede ser inducida en la lnea del electrodo y anticipar los riesgos a personas que tengan contacto directo con el conductor. El fenmeno de induccin se puede presentar de distintas formas. El primero ocurre en el caso de que el electrodo no est operando,


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la lnea del electrodo se induce con los campos que provoca la tensin de la lnea HVDC. El segundo caso ocurre cuando una de las lneas HVDC no est en operacin y el electrodo conduce la corriente a tierra, aumentando posiblemente el efecto corona de ambas lneas.

Finalmente, el terreno que se use para el electrodo y para la lnea del electrodo deben ser

accesibles para su compra, es decir, evitar los parques nacionales o las reservas naturales, que son lugares en que instalar un electrodo es prcticamente inviable.

2.2.3.2 Estudios Preliminares

Luego de determinar los sitios potenciales en que se podra emplazar el electrodo, segn las indicaciones del captulo anterior, es necesario conocer los parmetros elctricos del suelo, ya que esto ayudar en el posterior desempeo del mismo para dispersar la corriente. En efecto, que el terreno tenga resistividades someras y profundas altas, puede provocar una resistencia a tierra del electrodo muy alta y gradientes de potencial altos en la vecindad del electrodo, afectando a personas y animales. Tambin se vern efectos en las lejanas del electrodo, produciendo corrosin en oleoductos, lneas de tren y otras instalaciones enterradas, adems de interferir en los neutros de los transformadores de las subestaciones convertidoras y de otras subestaciones AC.

El rea de influencia (rea en la que el electrodo produce potenciales) del electrodo puede

ser catalogada aceptable o no dependiendo del medio construido que est en dicha rea de influencia. Otra fuente de calificacin de un sitio es el criterio que el diseador y las personas a cargo del proyecto del electrodo tengan para aceptar o desechar los posibles riesgos que se asumirn. Por ejemplo, si a 60 [km] de distancia del electrodo an se tienen potenciales producidos por la inyeccin de corriente al suelo (gran rea de influencia), el rea de influencia puede ser catalogada aceptable si es que no existen instalaciones o una gran densidad de poblacin que se vea interferida. Un contraejemplo sera si se tiene un rea de influencia de solo 10 [km] y el entorno es una gran ciudad con una gran cantidad de oleoductos y sistemas de transmisin.

Sin embargo, antes de realizar los estudios pertinentes, una forma de no incurrir en costos

extras en estudios innecesarios es la de buscar en registros pblicos y privados datos de inters, de manera de observar la profundidad a la cual realizaron algn estudio que pueda ayudar al proyecto [5].

Para conocer los parmetros es necesario realizar distintos estudios que permitirn

conocer las caractersticas de los suelos. Algunos de estos se deben realizar en una etapa temprana del proyecto ya que permite tener ms tiempo por si ninguno de los sitios candidatos para el electrodo cumple con los requerimientos y perfiles buscados, pero tambin habr otros estudios que se realizarn en la etapa de diseo, que permitirn obtener parmetros importantes en ese sentido.


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En cada uno de los estudios que a continuacin se mostrarn se dejar en claro en que etapa del proyecto presentan su importancia. Adems, cabe sealar que estos estudios conviene realizarlos cercanos al lugar de emplazamiento del electrodo ya que a medida que uno se aleja, los parmetros dejan de ser representativos [5]. Una vez que se elija el sitio final del electrodo ser necesario realizar estos estudios con un mayor detalle.

2.2.3.2.1 Estudios Geolgicos

El fin de un estudio geolgico es el de determinar las caractersticas de los suelos superficiales de todos los terrenos determinados para la puesta de un electrodo y la correlacin de estos con la resistividad o conductividad. Determinar los tipos de rocas que forman el entorno geolgico y las fallas tectnicas sern entonces los principales objetivos del estudio [8]. Por lo general, las rocas representan alta resistividad y son difciles de excavar, por lo que estos tipos de terreno se evitarn.

Estos estudios entregan tambin como resultado la topografa, los flujos de agua (ros,

arroyos, etc.) y la erosin del lugar. La topografa es importante ya que si el sitio potencial no es muy plano, la construccin ser difcil. Los flujos de agua pueden afectar de distintas maneras al electrodo, si el rea por ejemplo posee demasiados arroyos, entonces estos se deben encausar para instalar el electrodo en el espacio que sea necesario; lo otro que puede ocurrir es que los ros crezcan e inunden el sitio del electrodo, dandolo si es que la inundacin es por mucho tiempo producto de la conduccin inica. Por ltimo, la erosin del terreno producto de deslizamientos de tierra y de temblores tambin es un parmetro a considerar; por ejemplo algunos tipos de suelo se licuan si los temblores son seguidos, causndole un dao al electrodo producto del cambio del suelo [5].

Estos estudios conviene realizarlos en la etapa de seleccin del terreno candidato debido a

que con ellos se conocern las caractersticas de los suelos superficiales de todos los sitios pensados para el electrodo, si son buenos o malos conductores de corriente, y los que obtuvieron buenos resultados sern estudiados de manera ms profunda con estudios geofsicos. Esto permite tambin ahorrar tiempo y dinero, al no realizar estudios geofsicos o todos los terrenos que se presenten preliminarmente.

Una lista de las resistividades de los distintos tipos de suelos es posible encontrarla en [5].

2.2.3.2.2 Estudios Geofsicos

Los terrenos que presenten caractersticas geolgicas de baja resistividad sern evaluados posteriormente con estudios geofsicos.

El objetivo principal de estos estudios es el de determinar las resistividades a distintas profundidades (desde la superficie hasta ms de 100 [km] de profundidad aproximadamente con el mtodo MT [9]) y posteriormente definir el tipo de material de los suelos a partir de las resistividades y de los estudios geolgicos previos. Sin embargo, no existe un solo mtodo


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geofsico que sea capaz de determinar la resistividad del terreno desde la superficie hasta una profundidad como la sealada anteriormente. Por este motivo, existen distintas tcnicas para determinar la resistividad de los suelos profundos y de los suelos superficiales.

La resistividad es el parmetro de mayor importancia en el diseo de un electrodo, por lo

que estos estudios son relevantes para la etapa de diseo [5]. Sin embargo, tener una estimacin de la resistividad en la etapa de bsqueda del sitio ptimo para el electrodo ser de utilidad para tener el rea que podra llegar a ocupar el electrodo y as poder clasificar el sitio con respecto a los otros candidatos.

Los mtodos ms comunes utilizados para medir la resistividad son los mtodos galvnicos tales como Wenner, Shlumberger, Polo Dipolo y Carpenter entre otros. Una explicacin de cada uno de estos mtodos se encuentra en [5], pero en general se puede decir que estos mtodos son capaces de medir la resistividad a travs de la inyeccin de una corriente al suelo de baja frecuencia con dos electrodos (mtodos elctricos). Luego se mide la diferencia de potencial a travs de un voltmetro y la profundidad a la cual estos mtodos llegan depende de la distancia de separacin de los electrodos, por lo que existir un lmite dado por el largo de los cables, por lo que se puede llegar a una profundidad de aproximadamente 40 [m].

Para determinar la resistividad profunda es necesario el uso de un mtodo ms sofisticado.

El mtodo que se usa es el Magneto Telrico (MT) (usado frecuentemente en la minera), que se basa en el anlisis de las ondas electromagnticas que naturalmente fluyen por la tierra a frecuencias que pueden ser muy bajas (hasta 0,00001 [Hz]), permite sobrepasar el lmite de profundidad que alcanzan los mtodos anteriores, llegando a ms de 100 [km] [8]. El mtodo consiste en medir el campo elctrico E [V/m] y el campo magntico H [nT] (ambos naturales de la Tierra) a travs de una configuracin perpendicular de electrodos que miden el campo elctrico y dos bobinas tambin perpendiculares que miden el campo magntico inducido, tal como se ve en la Figura 2.24. Los campos electromagnticos naturales de la Tierra se generan por la accin del viento solar en la ionosfera terrestre, o bien por descargas elctricas de tormentas. La disposicin perpendicular entre las bobinas y los electrodos se debe a que la resistividad del medio donde se transmiten las ondas electromagnticas est dada por el cuociente entre el campo elctrico y el campo magntico perpendicular [9] (ecuacin (2.1)). Los valores de resistividad son calculados a diferentes frecuencias, ya que la penetracin de las ondas en la tierra depende de la frecuencia de las ondas electromagnticas.

212.0HE

f= (2.1)


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Figura 2.24: Principio de medicin magneto telrica.

Las mediciones de MT, que hacen en una estacin determinada, requieren de un sistema de adquisicin de datos con una disposicin de terreno como la indicada en la Figura 2.24. De esta manera, se mide el campo elctrico en las direcciones ortogonales Ex y Ey, mediante electrodos separados cada 200 [m] y el campo magntico en las direcciones Hx y Hy mediante sensores (bobinas) orientados en forma ortogonal. Como resultado de las mediciones MT en funcin de la frecuencia, se obtiene un grfico de variacin de la resistividad en funcin de la profundidad para cada estacin de MT, como se puede ver en la Figura 2.25. Al realizar medidas de estaciones MT en distintos lugares es posible obtener un perfil con informacin de la variacin de la resistividad en funcin de la profundidad (seccin de resistividad v/s profundidad), tal como se ve en la Figura 2.26.

Figura 2.25: Perfil de resistividad MT.


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Figura 2.26: Resultado mtodo MT.

Cabe sealar que las mediciones MT no son siempre posibles de realizar, debido a que

requiere de la presencia de campos electromagnticos naturales que no siempre tienen la intensidad requerida para efectuar las mediciones, por lo que conviene tener informacin que respalde los resultados que se obtienen. En general, la interpretacin adecuada de los mapas geolgicos es el elemento que permite reducir estas incertidumbres.

En la prctica estas mediciones pueden durar aproximadamente una semana en caso de

usar cinco estaciones para realizar el perfil del sitio. Sin embargo, estas pueden tomar ms tiempo por un tema de pedir los permisos de ingreso pertinentes a quien sea necesario.

2.2.3.2.3 Caractersticas Trmicas del Suelo

Otro tipo de mediciones que hay que hacer, son las que entregan como resultados la humedad del suelo, la conductividad y capacidad trmica del suelo y su temperatura natural. Estos son parmetros que sern importantes posteriormente para un diseo con mejor detalle del electrodo, por lo que no es necesario realizarlos en la etapa de bsqueda de un sitio apto.

La conductividad trmica ( y su unidad es W/mC) es un parmetro esencial en la

disipacin del calor producido por un electrodo en funcionamiento debido a la corriente que circula por el suelo y por lo tanto a la temperatura que el suelo tendr.

Este parmetro se encuentra relacionado con la densidad y la humedad del suelo. La

Figura 2.27 muestra la gran mejora de la conductividad trmica con la humedad, lo que demuestra su estrecha relacin [5]. Esta misma referencia indica que el periodo que estas mediciones toman es de dos aos completos, con mediciones cada dos meses.


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Figura 2.27: Variacin de la conductividad trmica.

La capacidad trmica tiene que ver con la capacidad del suelo de generar calor con el

electrodo en funcionamiento y su unidad es J/m3C (se representa como ) y al igual que la conductividad trmica, est relacionado con la humedad del lugar y con el tipo de suelo [5].

Tabla 2.2: Capacidad trmica en suelos.

Grado de Saturacin en % (x106) Tipo de Suelo Seco 50% 100%

Arena 1,26 2,13 3,01 Arcilla 1,00 2,22 3,43 Humus 0,63 2,18 3,77

La conductividad y la capacidad trmica son variables a lo largo del ao ya que dependen de las condiciones externas como el tiempo y el clima de la zona. Por lo tanto, para el diseo del electrodo se debern tomar en cuenta las peores condiciones en las cuales el electrodo podra operar.


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La temperatura natural del suelo, y dado que el electrodo en funcionamiento aumenta su temperatura, ser el punto de partida de la temperatura a la cual comenzar a aumentar debido a la corriente. Las variaciones de temperatura entre un da y otro no afectar al suelo en profundidades mayores a 1 o 1,25 [m], sin embargo, entre invierno y verano, el cambio de temperatura afectar al suelo hasta una profundidad de 20 [m], y bajo esa profundidad la temperatura se considera constante [5]. La profundidad a la cual la tierra se congela afectar directamente la profundidad a la que el electrodo se entierre.

La humedad es importante por su estrecha relacin con la resistividad del suelo, y por lo

tanto su mejor conduccin de corriente, y la conductividad trmica. La humedad se representa como un porcentaje de la relacin de la masa o volumen de agua con la masa o volumen de suelo seco [5].

Junto con la humedad, la profundidad de la napa de agua, o conocido tambin como el

nivel fretico, es una variable que deber tambin ser medida. El nivel fretico puede variar a lo largo del ao, por lo que es necesario conocer cuales son esas variaciones, ya que si est muy cercano a la superficie existirn problemas en la construccin del electrodo, mientras que si se encuentra muy profundo el suelo ser muy seco y por lo tanto con alta resistividad. Lo ideal es que el nivel se mantenga constante y que el electrodo se construya a una pequea distancia sobre l [5].

Adems de los parmetros nombrados anteriormente es necesario medir la permeabilidad

del suelo dada su relevancia para el proceso de electrosmosis [10]. La electrosmosis se explica en la seccin 2.2.4.2.

2.2.3.3 Catastro de Propietarios

Un tema no menor en el proceso de seleccin del sitio apropiado, es el de conocer todos los propietarios de los terrenos de todos esos potenciales sitios en que se podra ubicar el electrodo. El tener claro los propietarios en una vasta rea permitir posteriormente reducir los costos relacionados a la compra y/o arriendo de terrenos donde se ubicar el electrodo. Adems, puede permitir enfocarse en un sitio en que solo exista un solo propietario, buscando para eso un terreno apto en cuanto a movimiento de tierra y caractersticas apropiadas se refiere. En general, el tratar con un solo propietario es lo ms recomendable tanto por motivos legales como de costos. La Figura 2.28 muestra un ejemplo de divisin de propietarios que un sector puede tener.


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Figura 2.28: Propietarios de un sector.

2.2.3.4 Estudio de Impacto Ambiental

Todo proyecto de este tipo debe ir junto con un estudio de impacto ambiental que acredite y muestre que el funcionamiento del electrodo es inocuo para la seguridad de las personas, y que los efectos que eventualmente podra causar en el entorno son manejables.

A continuacin, se enumeran las posibles causas y soluciones de los problemas

principales que los electrodos pueden producir:

Visibilidad: El impacto visual y esttico de un electrodo terrestre es mnimo dado que est enterrado, y tal como se ve en la Figura 2.23 alrededor de los electrodos se puede tener vegetacin sin ningn problema, haciendo el lugar ms amigable. Por otro lado, la lnea del electrodo es de caractersticas similares a una lnea de transmisin AC de 110 [kV] pero con un aislamiento de 23 [kV], por lo que su impacto visual es el mismo al de lneas comunes. La lnea del electrodo se puede enterrar desde la casa de mufas hasta la lnea HVDC en caso que se opte por este camino.

Efectos en personas, flora y fauna: Tal como las mallas a tierra convencionales de las subestaciones, el electrodo se disea para no causar problemas con los potenciales de toque y de paso en el lugar, incluyendo incluso a la fauna para el clculo de estos lmites. El aumento de temperatura en la superficie del electrodo que se comentar en la seccin 2.2.4.2, es un fenmeno slo local que no influye en el terreno aledao al electrodo y como se ve tambin en la Figura 2.23, la vegetacin puede crecer en el sitio de forma normal y sin problemas.


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Efectos en instalaciones: En la seccin 2.2.5 se habla de estos efectos con las causas y las medidas de mitigacin usadas comnmente.

2.2.4 Consideraciones en el Diseo del Electrodo

Para disear un electrodo de puesta a tierra se necesita saber cuales son los efectos adversos que puede producir de manera de no traspasar los lmites que daen a personas, a la flora y a la fauna que existe en las cercanas del electrodo. Los parmetros que influyen son el gradiente de potencial que puede producir tensiones de paso y de contacto indeseables, y tambin la temperatura que se producir en el electrodo producto del funcionamiento continuo. Adems de estos parmetros, existen consideraciones tcnicas que se deben pensar y disear de m

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